新型人字支撑复合结构理论和试验研究

论文摘要

本文针对用于多层住宅的复合结构,从结构选型、理论计算、模型试验等方面进行了系统的分析研究。论文分三部分,其主要内容如下:第一部分住宅复合结构的理论计算1.综述了国内外住宅结构体系状况、趋势,阐述了我国21世纪住宅结构的发展目标,提出一种代替粘土砖墙承重结构住宅的新型结构形式“钢筋混凝土柔性梁(原圈梁)、柔性柱(原构造柱)加支撑”。选出有代表性的三种支撑型式,分别进行使用荷载作用下受力性能及结构动力抗侧刚度的计算分析,优化选型出复合结构的形式—钢筋混凝土柔性柱(250mm×250mm)、梁和人字型支撑。2.基于结构动力学原理,分析了人字支撑复合结构固有频率影响因素,拟合出复合结构第一固有频率的简化计算公式。采用抗震规范推荐的静力弹塑性分析方法,从理论上对复合结构抗震性能进行研究,分析了影响复合结构耗能机制的主要因素,优化出满足抗震性能要求的合理耗能机制,为第二部分复合结构的试验试件设计提供了依据。建议了合理的梁柱截面及支撑刚度。第二部分新型人字支撑复合结构的试验研究3.根据理论分析的合理抗震耗能机制的构件截面和配筋,设计了试验模型试件;根据计算的开裂、屈服荷载以及各级地震作用设计了竖向荷载、水平低周反复荷载以及拟动力试验的试验方案。4.详细分析了竖向荷载作用下的试验结果,研究了复合结构在使用荷载下的受力性能,将按弹性方法和混凝土规范公式的计算值和试验结果比较,检验计算方法。5.在水平低周反复荷载试验分析的基础上,引入了综合循环刚度的概念,深入地研究了复合结构的滞回曲线、骨架曲线、位移延性、屈服位移、耗能能力等抗震性能。为了进一步模拟地震作用,又进行了拟动力试验,探讨了复合结构在模拟地震波作用下的抗震能力。并将计算结果和试验值比较,进一步验证设计方法。第三部分基于人字支撑复合结构试验研究结果的理论分析和力学模型6.采用有限元软件的实体建模,对试验试件进行了弹塑性有限元全过程分析,并和试验结果比较,二者吻合较好。在此基础上,计算分析了多层复合结构在反复荷载作用下的受力性能。7.基于试验研究和理论分析结果,构建了人字支撑复合结构地震反应分析的恢复力模型、抗震耗能机制模型及承载力计算方法,并和试验结果比较。8.综合理论分析和试验研究,给出了研究结论和需要进一步深入研究的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 绪论
• 1.1 国内住宅结构体系现状及发展
• 1.1.1 国内住宅结构体系现状
• 1.1.2 国内住宅结构体系研究及发展
• 1.2 国外发达国家住宅体系现状及发展
• 1.2.1 国外住宅体系概况
• 1.2.2 国外国家住宅体系发展的趋势
• 1.3 课题的提出及意义
• 1.3.1 21 世纪中国新型住宅结构体系的意义
• 1.3.2 21 世纪新型住宅结构体系的目标
• 1.3.3 住宅复合结构体系概念的提出
• 1.4 住宅复合结构体系的特点
• 1.4.1 住宅复合结构的受力特点
• 1.4.2 复合结构和框架支撑结构的区别
• 1.4.3 环保及社会效益
• 1.4.4 建筑空间及装修特点
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第二章 住宅复合结构选型——支撑型式优化选择
• 2.1 复合结构体系的组成及型式
• 2.1.1 复合结构体系的组成
• 2.1.2 支撑的作用和优化选型目标
• 2.1.3 常见的支撑型式
• 2.1.4 不同情况下支撑的位置
• 2.2 不同支撑型式的结构体系在使用荷载作用下的计算
• 2.2.1 结构选型
• 2.2.2 使用荷载计算
• 2.2.3 竖向荷载作用下三种支撑型式的内力
• 2.2.4 风荷载作用下三种支撑型式的内力
• 2.2.5 框架结构在竖向荷载和风荷载作用下的内力
• 2.3 使用荷载作用下计算结果的对比与分析
• 2.3.1 竖向荷载作用下三种支撑型式的内力比较
• 2.3.2 水平荷载作用下三种支撑结构的内力比较
• 2.3.3 复合结构体系和框架结构比较
• 2.3.4 钢筋混凝土支撑和钢支撑比较
• 2.3.5 使用荷载作用下优化的支撑型式
• 2.4 不同支撑型式的结构动力特征分析——考虑动力性能时支撑型式优化
• 2.4.1 结构动力特征方程
• 2.4.2 不同支撑型式结构的动力特征分析——动力抗侧刚度
• 2.4.3 住宅复合结构体系的形式——钢筋混凝土柔性梁柱和人字支撑
• 2.5 本章小结
• 第三章 人字支撑复合结构的固有频率及抗震性能分析
• 3.1 人字支撑复合结构固有频率分析
• 3.1.1 影响复合结构固有频率的主要因素
• 3.1.2 多层住宅（≤6 层）复合结构的固有频率简化计算公式
• 3.2 静力弹塑性（Pushover）分析方法和结构耗能机制分析
• 3.2.1 静力弹塑性分析的用途
• 3.2.2 静力弹塑性方法的基本原理及实施过程
• 3.2.3 塑性铰的类型与位置
• 3.2.4 结构体系的耗能机制形式及性能分析
• 3.3 复合结构抗震性能分析——静力弹塑性分析
• 3.3.1 一榀复合结构（编号为XT1-2）的初步设计
• 3.3.2 复合结构（XT1-2）抗震能力分析
• 3.3.3 复合结构塑性铰出现的位置、顺序及耗能机制
• 3.3.4 复合结构的层间位移角
• 3.3.5 复合结构各楼层的水平侧移
• 3.4 复合结构合理的抗震性能及耗能机制的分析探讨
• 3.4.1 底层构件截面和配筋增大对结构抗震性能及耗能机制的影响
• 3.4.2 底层和二层构件截面及配筋增大对结构抗震性能的影响
• 3.4.3 底层柱、支撑及二层支撑配筋不同程度增大
• 3.4.4 复合结构合理的耗能机制和抗震性能
• 3.5 复合结构构件截面的选择分析
• 3.5.1 支撑刚度的选择分析
• 3.5.2 梁和柱截面确定
• 3.6 本章小结
• 第四章 人字支撑复合结构的试验方案设计
• 4.1 试验目的及试验试件设计
• 4.1.1 试验目的
• 4.1.2 试件设计
• 4.1.3 钢筋及混凝土强度
• 4.2 竖向荷载试验方案
• 4.2.1 竖向荷载试验加载装置及测试内容
• 4.2.2 竖向荷载试验加载方案
• 4.3 水平低周反复荷载试验方案
• 4.3.1 低周反复试验加载装置和测试内容
• 4.3.2 低周反复荷载试验加载方法
• 4.4 拟动力试验方案
• 4.4.1 拟动力试验装置及方法
• 4.4.2 拟动力试验加载方案
• 4.5 本章小结
• 第五章 人字支撑复合结构的试验结果及分析
• 5.1 竖向荷载作用下的试验结果及分析
• 5.1.1 试验现象分析
• 5.1.2 试验曲线
• 5.1.3 试验结果分析
• 5.1.4 计算值和试验结果比较分析
• 5.2 水平低周反复荷载作用下的试验研究结果及分析
• 5.2.1 试验现象及分析
• 5.2.2 复合结构的滞回性能
• 5.2.3 复合结构的骨架曲线
• 5.2.4 屈服位移、延性系数及耗能能力
• 5.2.5 复合结构刚度及承载力的退化
• 5.2.6 复合结构受力性能分析
• 5.2.7 复合结构构件的钢筋滞回曲线
• 5.2.8 混凝土应变滞回曲线
• 5.2.9 柱高方向的水平侧移
• 5.2.10 计算值和试验结果的比较分析
• 5.3 拟动力试验结果研究分析
• 5.3.1 试件实测刚度及自振周期
• 5.3.2 试验现象及分析
• 5.3.3 刚度退化曲线分析
• 5.3.4 恢复力特性——滞回性能
• 5.3.5 位移时程曲线
• 5.3.6 各级地震作用下最大位移和恢复力
• 5.3.7 支撑顶部的竖向位移
• 5.3.8 恢复力时程曲线
• 5.3.9 拟动力试验值和低周反复荷载试验值比较分析
• 5.4 复合结构抗震性能分析
• 5.5 本章结论
• 第六章 人字支撑复合结构的弹塑性有限元分析
• 6.1 有限元建模
• 6.1.1 建模方案
• 6.1.2 模型坐标系
• 6.1.3 单元选择
• 6.1.4 材料参数确定及本构关系
• 6.1.5 有关假定
• 6.1.6 混凝土开裂模型
• 6.1.7 混凝土的压碎
• 6.1.8 求解设置与收敛准则
• 6.1.9 网格划分
• 6.1.10 加载位置、加载方式与边界条件
• 6.2 竖向荷载作用下的计算结果分析及对比
• 6.2.1 模拟试验过程及分析
• 6.2.2 梁跨中挠度计算值和试验值比较
• 6.2.3 构件中钢筋应变有限元计算值与试验值比较
• 6.3 水平低周反复荷载计算结果分析及比较
• 6.3.1 单调水平加载计算结果及分析比较
• 6.3.2 水平低周反复荷载下模拟试验计算过程及裂缝分析
• 6.3.3 水平低周反复荷载下复合结构滞回曲线的计算结果及分析
• 6.3.4 钢筋滞回曲线分析
• 6.3.5 有限元计算值和试验值比较
• 6.4 多层复合结构在水平低周反复荷载下的计算分析
• 6.4.1 所加荷载值的计算及结构配筋确定
• 6.4.2 计算过程中的裂缝及受力特征分析
• 6.4.3 低周反复荷载下5 层复合结构的计算滞回曲线和水平侧移曲线
• 6.4.4 钢筋应变曲线分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 人字支撑复合结构的力学模型分析
• 7.1 竖向荷载作用下承载力计算模型分析
• 7.1.1 竖向荷载作用下的破坏机构
• 7.1.2 竖向荷载作用下的承载力计算
• 7.2 地震反应分析的恢复力模型及相应刚度探讨
• 7.2.1 地震反应分析的恢复力模型
• 7.2.2 恢复力模型相应刚度的探讨
• 7.3 水平地震作用下耗能机制模型的理论分析
• 7.3.1 耗能机制模型分析
• 7.3.2 耗能机制的极限荷载Fi表达式
• 7.3.3 耗能机制选用及水平地震力Fi计算
• 7.4 水平地震作用下耗能机制的试验结果及对比分析
• 7.4.1 C82 及C83 试验的耗能机制分析
• 7.4.2 C82 及C83 在水平地震下极限承载力的理论计算和试验值比较
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论和展望
• 8.1 主要研究结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文题录