型钢与混凝土粘结—滑移关系及型钢混凝土剪力墙抗震性能研究

论文摘要

型钢混凝土(SRC)构件是由钢与混凝土两种材料组合起来的构件，这种组合构件不仅能更好的发挥各自的材质优点，避免单一材料的弱点，同时由于构件中型钢、钢筋(箍筋与纵筋)、混凝土三位一体地工作，材料元件之间具有相辅相成的作用：组合截面中的混凝土对型钢和纵向钢筋的整体和局部稳定性提供保证，增强了刚度以使其强度和变形能力充分发挥；型钢及周围的箍筋对截面内混凝土的约束作用，使其处于程度不同的三向受力状态，混凝土极限压缩变形有所增加，这种相辅相成作用的结果是型钢混凝土组合构件的承载力超过了两种材料承载力的简单叠加，同时构件又具有良好的变形能力及延性。正是由于以上优点，近些年来，型钢混凝土结构在我国高层及超高层建筑中得以广泛运用，而且具有很好的发展趋势。然而关于型钢混凝土结构性能研究的试验和理论比较缺乏，制约着这种新型结构形式的推广，本文的研究内容围绕型钢混凝土受力性能展开。本文研究了型钢混凝土粘结滑移性能。有关型钢混凝土粘结滑移性能研究还非常少，制约着型钢混凝土构件的推广以及数值仿真分析研究。本文在参考钢筋混凝土粘结滑移研究的基础上，设计了一种新型型钢混凝土粘结滑移试件及相应的加载装置，实现了型钢与混凝土粘结面之间的破坏，避免了混凝土的劈裂破坏和受压破坏，同时还实现了包括单调加载、重复加载、反复加载在内的多种加载形式。本试验共测试了18件型钢混凝土粘结滑移试件，研究了在单调及反复荷载作用下，混凝土强度、粘结长度、箍筋配箍率等因素对粘结性能的影响，设计了3个对比试件，用以考察型钢翼缘内侧、翼缘外侧、腹板与混凝土的粘结性能的区别。最后在试验的基础上，提出了单调加载条件下的型钢混凝土粘结滑移模型，此三线形模型较好地反映了试验特征，同时形式也比较简单，有利于运用于实际数值分析；所建立的反复加载条件下型钢与混凝土之间粘结滑移模型包括骨架曲线以及滞回规律两部分内容。运用本文所建立的模型进行数值模拟实际试验构件，数值模拟结果与试验结果比较相符。所建立的模型为对型钢混凝土构件进行精细有限元分析奠定了基础。进行了型钢混凝土剪力墙的抗震性能试验。共测试了16片型钢混凝土剪力墙，研究了混凝土强度、高宽比、试件端部箍筋配筋率等参数对型钢混凝土剪力墙抗震性能的影响；同时提出了一种新型构造的剪力墙，在型钢混凝土剪力墙中部配置型钢，考查了这种配置方式对型钢混凝土剪力墙抗震性能的影响。用CANNY软件仿真分析型钢混凝土剪力墙的滞回受力性能，用程序提供的3D纤维墙元分别分析了高宽比为3.75的高墙，和高宽比为1.5的矮墙。同时为CANNY软件在实际工程分析的运用，提供了必要的分析参数，并为软件升级提出了建议。运用ANSYS程序对一型钢混凝土剪力墙构件进行了非线性精细有限元分析，在仿真模型中考虑了粘结—滑移关系的影响，在分析构件整体受力的同时，也分析了型钢与混凝土间的节点粘结力的分布情况。分析了不考虑粘结滑移关系的数值分析模型，将两种数值分析结果与试验测试进行了比对，结果表明，考虑了粘结—滑移关系的分析模型的模拟结果更加贴近试验实测。在中国混凝土结构设计规范中，轴压比是混凝土结构竖向构件(柱、墙)设计计算中一个很重要的参数。然而对于型钢混凝土剪力墙结构，轴压比及其限值的研究还是一个空白。本文通过试验实测与数值仿真相结合的方法，分析轴压比计算公式及其限值，为进一步推广型钢混凝土剪力墙结构作基础性的研究工作。最后本文对要进一步研究的方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 组合结构的发展
• 1.1.2 型钢混凝土结构相关规范发展沿革
• 1.1.3 型钢混凝土结构在我国的应用
• 1.2 型钢混凝土构件受力性能之研究现状
• 1.2.1 型钢混凝土构件的优越性
• 1.2.2 型钢与混凝土粘结—滑移研究现状综述
• 1.2.3 型钢混凝土剪力墙研究进展
• 1.3 本文的研究思路与工作要点
• 1.3.1 研究工作的逻辑关系
• 1.3.2 型钢混凝土粘结滑移研究的工作要点
• 1.3.3 型钢混凝土剪力墙抗震性能研究工作要点
• 1.3.4 型钢混凝土剪力墙非线性有限元分析工作要点
• 第2章 混凝土结构粘结—滑移研究进展
• 2.1 引言
• 2.2 钢筋混凝土粘结—滑移研究
• 2.2.1 单调加载情况下,钢筋混凝土与粘结—滑移特征
• 2.2.2 反复加载情况下,钢筋与混凝土之间粘结和滑移特征
• 2.3 型钢混凝土粘结—滑移研究
• 2.3.1 型钢混凝土粘结—滑移研究现状
• 2.3.2 型钢混凝土粘结—滑移研究现状分析及展望
• 2.4 本章小结
• 第3章 型钢混凝土粘结滑移试验与数值模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料选用及力学性能
• 3.3 局部粘结滑移试验设计
• 3.3.1 试件方案
• 3.3.1 加载装置
• 3.4 单调加载粘结滑移试验结果及分析
• 3.4.1 试件拔出荷载—滑移关系
• 3.4.2 隔离腹板与内翼缘对比试件试验分析
• 3.4.3 不同混凝土强度试件试验分析
• 3.4.4 不同配箍率试件试验分析
• 3.4.5 不同粘结长度试件试验分析
• 3.4.6 试件箍筋应变试验分析
• 3.4.7 反向重复加载试验分析
• 3.4.8 试件型钢应变试验分析
• 3.5 反复加载粘结滑移试验结果及分析
• 3.5.1 隔离腹板与内翼缘对比试件试验分析
• 3.5.2 不同混凝土强度试件试验分析
• 3.5.3 不同配箍率试件试验分析
• 3.6 数学模型
• 3.6.1 单调加载粘结滑移数学模型
• 3.6.2 反复加载粘结滑移数学模型
• 3.7 本章小结
• 第4章 型钢混凝土剪力墙抗震性能试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 试验规划与设计
• 4.2.1 试验目的
• 4.2.2 试件设计
• 4.3 试验设施装置与加载制度
• 4.3.1 试验加载装置
• 4.3.2 测试内容和测点布置
• 4.3.3 加载制度
• 4.4 材料特性
• 4.4.1 钢筋与钢板材料特性
• 4.4.2 混凝土材料特性
• 4.5 试验内容与结果
• 4.5.1 荷载-位移关系曲线
• 4.5.2 试验现象分析
• 4.6 型钢混凝土剪力墙恢复力曲线模型化
• 4.6.1 恢复力模型的组成
• 4.6.2 恢复力模型的取得
• 4.6.3 试验拟合方法和成果
• 4.6.4 骨架曲线的确定
• 4.6.5 骨架曲线的拟和效果
• 4.6.6 恢复力模型滞回曲线的拟合效果
• 4.7 本章小结
• 第5章 型钢混凝土剪力墙抗震试验结果分析与非线性仿真研究
• 5.1 引言
• 5.2 试件抗震性能分析
• 5.2.1 延性分析
• 5.2.2 等效粘滞阻尼系数分析
• 5.2.3 试件抗震性能参数分析
• 5.2.4 试件各个设计参数对抗震性能的影响
• 5.2.4 钢筋与型钢应变分析
• 5.3 型钢混凝土剪力墙非线性分析
• 5.3.1 剪力墙非线性分析模型
• 5.3.2 剪力墙剪切滞回模型
• 5.3.3 型钢与钢筋滞回模型
• 5.3.4 混凝土滞回模型
• 5.3.5 型钢混凝土剪力墙非线性仿真分析
• 5.4 本章小节
• 第6章 考虑粘结—滑移性能的型钢混凝土墙力学性能分析
• 6.1 引言
• 6.2 混凝土材料模型理论
• 6.2.1 混凝土三轴强度准则的若干概念
• 6.2.2 三轴受力下混凝土的本构关系
• 6.3 程序ANSYS模型及相关理论
• 6.3.1 单元类型
• 6.3.2 材料模型
• 6.3.3 有限元分析模型
• 6.4 数值模拟结果与分析
• 6.4.2 应力与节点粘结力分析
• 6.4.3 节点粘结力沿高度方向分布情况
• 6.4.4 加载端力—位移曲线
• 6.5 本章小节
• 第7章 型钢混凝土剪力墙轴压比及其限值研究
• 7.1 引言
• 7.1.1 型钢混凝土柱轴压比的计算公式综述
• 7.1.2 型钢混凝土柱轴压比限值研究简述
• 7.2 型钢混凝土剪力墙轴压比计算公式的研究
• 7.2.1 ANSYS分析型钢混凝土剪力墙的轴力分配问题
• 7.2.2 轴压比计算公式研究
• 7.3 型钢混凝土剪力墙轴压比限值的研究
• 7.3.1 高宽比为2.0的型钢混凝土剪力墙轴压比限值研究
• 7.3.2 高宽比为1.5的型钢混凝土剪力墙轴压比限值研究
• 7.3.2 带中间型钢的型钢混凝土剪力墙轴压比限值研究
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 本文主要结论
• 8.1.1 型钢与混凝土间粘结滑移试验研究与数学模型
• 8.1.2 型钢混凝土剪力墙试件低周反复加载试验研究与数值分析
• 8.1.3 考虑粘结—滑移性能的型钢混凝土剪力墙力学性能分析
• 8.2 需要进一步深入研究的问题
• 参考文献
• 附件
• 附件一 型钢混凝土粘结滑移试验设计
• 附件二 型钢混凝土剪力墙抗震性能试验设计
• 在读期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢