钢筋混凝土框架结构施工期性能研究

论文摘要

钢筋混凝土框架结构施工期性能是结构施工期安全和使用期安全以及耐久性能的研究前提和基础。国内外在早龄期混凝土性能、施工期混凝土框架结构特性和可靠性方面取得了一些研究成果。借鉴这些成果,本文对早龄期受载混凝土性能、施工期混凝土框架结构性能和动力特性等开展试验研究和理论分析。本文主要研究内容包括:对标准养护条件下早龄期混凝土力学性能和本构关系随养护龄期变化的时变规律进行了试验研究。建立了早龄期混凝土抗压强度和弹性模量与养护龄期之间的函数关系并且采用非线性最小二乘法计算给出拟合方程系数。根据试验数据,对无量纲化的早龄期混凝土棱柱体单轴受压应力应变全过程曲线与混凝土设计规范中的过镇海曲线进行比较分析,并给出了公式中参数a和α的取值范围。对早龄期施加荷载并且持续至28天的混凝土力学性能和本构关系随养护龄期变化的时变规律进行了试验研究。混凝土早龄期持续受载将降低28天的混凝土抗压强度值和减小混凝土的塑性变形能力。加载龄期越低、施加的应力越高、混凝土强度等级越低,降低程度越大。通过试验数据分析研究界定了混凝土持续加载的龄期和持续应力的大小对降低程度的影响范围,建立了无量纲化的混凝土棱柱体单轴受压应力应变全过程曲线与混凝土设计规范中的过镇海经验公式曲线进行比较分析,并给出公式参数的取值范围。对以粉煤灰作为掺合料的高性能混凝土,在不同水胶质量比,不同掺入量,从成型到180天龄期内的抗压强度、弹性模量以及收缩的混凝土时效性能进行了试验研究。建立了以粉煤灰为掺合料混凝土的自收缩应变与抗压强度之间非线性关系的拟合公式。对施工期混凝土框架与模板支撑相互作用机理进行了试验研究。试验表明:施加小于按照加载龄期混凝土力学指标计算得到的开裂荷载值的荷载,混凝土框架与模板支撑作用系统为线性系统,混凝土收缩徐变效应引起系统非线性程度较小。钢管支撑承担的荷载随着混凝土龄期的增加而减小。共同作用系统的内力和变形协调在15天龄期基本达到稳定。采用数值模拟方法对混凝土框架结构施工过程的时效特性进行了研究。基于混凝土徐变的应力—应变—时间耦合本构关系,应用梯形积分公式导出混凝土时效性能的数值迭代模型及其算法,并基于有限元法建立了非线性增量型数值迭代模型及其算法。采用该方法对混凝土偏心受压柱和简支粱进行数值计算,计算结果与试验值吻合较好。应用逐层叠加分析方法,建立了考虑施工次序和混凝土收缩徐变影响的施工期混凝土框架结构计算模型。应用该法研究了不同施工周期、不同钢管支撑间距和收缩徐变效应对混凝土框架柱的累积竖向变形的影响。施工周期越长对框架柱累积竖向变形的影响越小;支撑刚度增大,框架结构顶部楼层的累积竖向变形减小,底部楼层增大;收缩徐变效应对混凝土框架内柱累积竖向变形的影响比外柱的大。提出以混凝土开裂为失效模式,引入施工期混凝土结构极限状态方程。考虑施工期的混凝土结构抗力的时效性不能忽视,建立了结构抗力的随机过程模型,及荷载效应的概率模型。利用模拟重要性抽样的蒙特卡洛随机算法,推导了施工期混凝土动态结构的可靠度计算方法。对一栋施工期混凝土框架结构开裂可靠度进行计算分析,提出施工期混凝土结构的施工建议。对随时间变化的力学参数、混凝土浇筑、临时模板支撑系统和施工机械对施工期混凝土框架结构的结构动力特性的影响进行了试验分析研究。应用环境激励法对一栋8层混凝土框架的第6层和屋顶施工阶段的动力特性进行检测。试验获得各施工阶段的结构响应传递函数,及其模态频率、振型和阻尼比,分析了施工阶段结构响应传递函数,及其模态频率、振型和阻尼比的变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 施工期结构分析
• 1.2.2 混凝土时变特性
• 1.2.3 施工期荷载统计调查
• 1.2.4 临时模板支承体系计算模型
• 1.2.5 施工期混凝土框架结构的可靠度
• 1.2.6 施工期混凝土框架结构的动力特性
• 1.3 本文的研究目的和内容
• 1.3.1 本课题来源与研究意义和目的
• 1.3.2 本文的研究内容
• 第2章 不同龄期混凝土抗压强度和弹性模量试验研究
• 2.1 前言
• 2.2 不同龄期混凝土材料力学特性试验研究
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验方法
• 2.2.3 试验结果
• 2.3 早龄期受载混凝土抗压强度试验研究
• 2.3.1 试验材料
• 2.3.2 试验方法
• 2.3.3 试验结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 不同龄期混凝土应力应变曲线试验研究
• 3.1 前言
• 3.2 各龄期混凝土受压应力应变全过程曲线研究
• 3.2.1 试验方案
• 3.2.2 试验材料
• 3.2.3 试验方法
• 3.2.4 试验现象描述
• 3.2.5 试验结果
• 3.3 早龄期受载混凝土应力应变全过程曲线试验
• 3.3.1 试验方法
• 3.3.2 早龄期受载混凝土应力应变全过程关系曲线试验
• 3.3.3 早龄期受载混凝土无量纲应力应变全曲线
• 3.4 本章小结
• 第4章 水胶比和粉煤灰掺入量对混凝土时变性能影响试验研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验
• 4.2.1 试验原材料
• 4.2.2 配合比设计
• 4.2.3 试验方案
• 4.3 试验结果分析
• 4.3.1 不同龄期的混凝土抗压强度
• 4.3.2 不同龄期的混凝土弹性模量
• 4.3.3 混凝土收缩
• 4.3.4 混凝土抗压强度与自收缩关系曲线
• 4.4 本章小结
• 第5章 单层单跨混凝土框架结构施工过程模拟试验
• 5.1 前言
• 5.2 混凝土框架结构施工过程试验
• 5.2.1 试验模型
• 5.2.2 试验材料的力学性能指标
• 5.2.3 测试内容仪表布置
• 5.2.4 试验加载
• 5.3 混凝土框架结构施工过程试验数据与分析
• 5.3.1 未加载试验与分析
• 5.3.2 持续荷载加载试验
• 5.3.3 各龄期加卸载试验
• 5.3.4 荷载分配率
• 5.4 时间冻结法
• 5.4.1 施工期混凝土结构等效计算模型
• 5.4.2 试验值与计算值的比较
• 5.5 本章小结
• 第6章 施工期混凝土时间效应数值仿真模拟
• 6.1 前言
• 6.2 混凝土收缩徐变的计算
• 6.2.1 施工期混凝土应力—应变—时间耦合本构关系
• 6.2.2 混凝土徐变模型
• 6.2.3 混凝土收缩模型
• 6.3 混凝土收缩徐变的数值模拟
• 6.3.1 全量型混凝土收缩徐变数值模拟
• 6.3.2 增量型混凝土收缩徐变计算模型
• 6.4 考虑混凝土徐变效应的杆系模型
• 6.4.1 二维平面多层纤维模型
• 6.4.2 杆系模型的二阶效应
• 6.5 试验与计算比较
• 6.5.1 例1：简支梁
• 6.5.2 例2：偏心受压柱
• 6.6 施工期混凝土结构施工过程分析
• 6.6.1 混凝土结构施工过程分析方法
• 6.6.2 混凝土结构施工过程模拟分析
• 6.7 本章小结
• 第7章 施工期混凝土结构抗裂可靠度分析
• 7.1 前言
• 7.2 施工期混凝土结构的可靠性模型
• 7.3 荷载作用效应的随机过程模型
• 7.3.1 施工期荷载
• 7.3.2 施工期荷载作用效应
• 7.4 结构抗力的随机过程模型
• 7.5 施工期混凝土结构失效模式
• 7.5.1 施工期混凝土结构失效模式
• 7.5.2 施工期混凝土结构极限状态方程
• 7.5.3 混凝土抗拉强度
• 7.6 蒙特卡洛（Monte-Carlo）模拟计算
• 7.6.1 蒙特卡洛随机模拟法
• 7.6.2 重要性抽样
• 7.6.3 改进重要性抽样
• 7.6.4 步骤
• 7.7 施工期动态结构可靠度
• 7.8 算例
• 7.8.1 分析模型
• 7.8.2 失效模式
• 7.8.3 分析步骤
• 7.8.4 分析结果
• 7.9 本章小结
• 第8章 施工期混凝土框架结构动力特性试验研究
• 8.1 前言
• 8.2 施工期混凝土框架结构动特性研究
• 8.2.1 工程概况
• 8.2.2 结构动力试验与分析方法
• 8.2.3 施工期混凝土框架结构动力特性试验方案
• 8.3 结构动力参数辨识
• 8.3.1 第1 试验阶段
• 8.3.2 第2 试验阶段
• 8.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢