高层钢管混凝土结构体系设计方法及试验研究

论文摘要

钢管混凝土结构是充分利用钢和混凝土各自优点组合而成的一种新型结构形式,近年来在高层建筑中得到越来越广泛的应用。作为一种复杂的新型结构形式,其应用中尚有很多问题有待解决:节点连接的刚性判断准则尚未界定;连接刚度对结构整体性能影响的研究有待深入;缺少对钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱框架结构的拟静力试验研究;对结构整体体系的骨架曲线研究还属空白。基于此,采用理论分析和试验研究相结合的方法对上述问题展开了研究。总结分析了钢梁-钢管混凝土柱、钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱两类结构体系的连接形式,通过新型劲性混凝土环梁节点、钢筋混凝土梁-钢加强环节点和钢梁-钢加强环节点的试验研究,探讨了节点的抗震性能和刚性。在对钢管混凝土框架受力变形分析的基础上,综合框架正常使用极限状态和承载能力极限状态两种状态,建立了钢管混凝土梁柱连接刚性判别准则。根据半刚性连接梁柱连接处变形协调而且具有有限转动刚度的特点,使用通用有限元分析程序ANSYS中的弹簧阻尼单元解决了半刚性连接的模拟。探讨了半刚性连接对钢管混凝土框架结构内力、位移等的影响,导出了半刚性连接钢管混凝土框架结构在竖向荷载下梁端弯矩的求解公式,对水平荷载作用下标准反弯点高比计算公式进行修正;以承受均布荷载的框架剪力墙铰接体系为例,研究半刚性连接对框架剪力墙结构中剪力墙位移系数、剪力墙弯矩系数、剪力墙剪力系数和框架剪力系数等的影响。建立半刚性连接框架结构的自由振动方程,推导出半刚性连接框架结构基本自振周期的计算公式,得出连接刚度对基本自振周期的影响。将钢管混凝土框架剪力墙结构作为连续弹性无限自由度结构,建立自由振动方程,分析了半刚性连接对结构自振周期和频率的影响,推导出半刚性连接框剪结构自振周期系数的计算公式。使用通用有限元分析软件ANSYS进行半刚性连接钢管混凝土结构的反应谱分析,并研究了半刚性连接钢管混凝土框架结构在选定地震波激励下的响应。进行了一榀单跨两层钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱框架结构的拟静力试验,对结构的破坏形态、破坏机制、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化、耗能能力等性能进行了较为深入系统的研究。将钢管混凝土视为统一材料,从截面层次的恢复力模型出发,对钢梁、钢筋混凝土梁和钢管混凝土柱分别选择相应的恢复力模型,研究钢梁-钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱两类框架结构体系的骨架曲线,并使用非线性有限元分析程序IDARC分析了含钢率、轴压比、混凝土强度、钢材强度和半刚性连接等因素对整体结构体系骨架曲线的影响。最后在综合全部研究成果的基础上,提出了钢管混凝土结构体系的整体设计方法及建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管混凝土结构的特点
• 1.2 钢管混凝土结构的应用
• 1.3 国内外钢管混凝土结构的研究现状
• 1.3.1 静力性能的研究
• 1.3.2 动力性能的研究
• 1.4 问题的提出
• 1.5 本文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 钢管混凝土梁柱连接形式及试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 钢管混凝土梁柱连接形式及性能分析
• 2.2.1 钢梁－钢管混凝土柱连接
• 2.2.2 钢筋混凝土梁－钢管混凝土柱连接
• 2.3 钢管混凝土梁柱节点试验研究
• 2.3.1 新型劲性混凝土环梁节点试验
• 2.3.2 钢筋混凝土梁－钢加强环节点试验
• 2.3.3 钢梁－钢加强环节点试验
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 钢管混凝土梁柱连接的刚性判断准则
• 3.1 引言
• 3.2 框架受力变形分析
• 3.2.1 连接分析模型的建立
• 3.2.2 模型的内力及变形计算
• 3.3 刚性判断准则
• 3.3.1 按正常使用极限状态进行划分
• 3.3.2 按承载能力极限状态进行划分
• 3.4 节点分类判断
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 半刚性连接对钢管混凝土结构静力性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 半刚性连接的分析方法
• 4.3 半刚性连接对框架结构设计的影响
• 4.3.1 竖向荷载作用下半刚性连接的影响
• 4.3.2 半刚性连接对标准反弯点高比的影响
• 4.3.3 半刚性连接对侧移近似计算的影响
• 4.4 考虑节点刚域长度对刚接框架设计的影响
• 4.5 半刚性连接对框架剪力墙结构设计的影响
• 4.5.1 半刚性连接钢管混凝土柱的侧移刚度
• 4.5.2 半刚性连接对钢管混凝土框剪结构受力和变形的影响
• 4.5.3 有限元分析及算例
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 半刚性连接对钢管混凝土结构动力性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 半刚性连接对结构自振周期的影响
• 5.2.1 半刚性连接框架结构自振频率的计算
• 5.2.2 半刚性连接对框剪结构自振周期和频率的影响
• 5.2.3 有限元分析及算例
• 5.3 半刚性连接框架结构的振型分解反应谱分析
• 5.3.1 振型分解反应谱法
• 5.3.2 半刚性连接框架结构的反应谱分析
• 5.4 半刚性连接框架结构在地震激励下的响应分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 钢筋混凝土梁—钢管混凝土柱框架结构拟静力试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试件设计
• 6.3 试验装置的设计
• 6.4 试验方法
• 6.4.1 测量仪器和测量内容
• 6.4.2 加载程序
• 6.5 试验结果
• 6.5.1 试验过程描述
• 6.5.2 试件破坏机制
• 6.5.3 荷载位移滞回曲线和骨架曲线
• 6.6 试验结果分析
• 6.6.1 位移延性
• 6.6.2 耗能性能和等效粘滞阻尼系数
• 6.6.3 强度退化与刚度退化
• 6.6.4 钢管应变
• 6.6.5 加强环应变
• 6.6.6 肋板应变
• 6.7 本章小结
• 参考文献
• 第七章 钢管混凝土框架骨架曲线研究
• 7.1 引言
• 7.2 钢管混凝土统一理论
• 7.3 结构动力分析模型
• 7.4 梁柱构件的恢复力模型
• 7.4.1 钢梁恢复力模型
• 7.4.2 钢筋混凝土梁恢复力模型
• 7.4.3 钢管混凝土柱恢复力模型
• 7.4.4 试验验证
• 7.5 钢管混凝土框架骨架曲线研究
• 7.5.1 轴压比的影响
• 7.5.2 含钢率的影响
• 7.5.3 钢材强度的影响
• 7.5.4 混凝土强度的影响
• 7.5.5 半刚性连接的影响
• 7.6 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论及设计建议
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 设计建议
• 8.3 本文的不足和有待改进之处
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文