高强混凝土钢板组合剪力墙抗剪性能试验研究

论文摘要

今年来,随着国民经济建设的蓬勃发展,超高层建筑、大跨空间结构、城市轨道交通工程、超长隧道、大型水坝等工程建设规模日益扩大,他们的共同特点是施工规模大、周期长、范围广、过程复杂。在土木工程建设迅速发展的同时,施工中事故不断增多,严重影响了施工人员的生命安全及工程建设速度和成本,究其原因,主要是对施工阶段结构的力学状态研究不完善及在设计中未考虑施工过程中诸多不利因素。传统的结构设计是按照结构完全建成之后一次加载计算分析的结果,未考虑结构在施工过程中的时变力学状态,本文针对高层钢结构施工时变问题进行了以下几方面的工作：（1）从现有时变结构体系的研究出发,阐述了时变结构体系的概念,从结构刚度时变、材料本构时变、地基沉降时变、边界条件时变等角度阐述了施工时变的原理,结合天津“津塔”结构的时变特性指出钢板-剪力墙结构施工时变工程控制与监测的必要性,建立了津塔考虑收缩徐变计算模型,得到了津塔收缩徐变对整体结构影响。（2）针对应力时变问题,阐述了时变应力监测的原理,指出监测中测点布置的方法,建立了津塔施工模拟模型,进行了施工模拟计算与实际的应力监测,对监测值和分析之进行了对比,验证了模型的正确性。研究表明根据模型计算得出施工时变体系一次加载和考虑施工过程的结果相差很大,从而得出高层钢结构必须进行施工过程设计的结论。文中同时对比了不同层部分构件的监测结果,得出了沿竖向应力及轴力的变化规律,为指导施工及预调控制提供了试验和理论依据。（3）针对变形时变问题,对津塔内外筒进行了竖向变形差监测,提出了钢板剪力墙结构施工预调的简化方法,考虑材料的时变特性,考虑地基基础与上部结构的共同作用,考虑钢管混凝土外围钢管对混凝土的约束作用建立了津塔整体有限元模型。得出了柱累积压缩变形的变化规律,各层最终沉降差的发展规律,得到了考虑地基、混凝土收缩徐变影响后的施工预调值,最后将沉降理论值与实测值进行了对比,分析了高层钢结构沉降的主要原因。（4）针对关键构件应力时变问题和高层钢板剪力墙结构的残余应力问题,结合津塔对钢板剪力墙进行了监测,建立了瞬态非线性热-结构耦合分析模型,针对焊接速度和焊接顺序进行了实验监测和分析计算,对比了实验值与监测值,得到了加快焊接速度可以减少焊接残余应力的结论,提出了多道焊缝钢板剪力墙的优化焊接工序,得到了优化工序下瞬时焊接的应力最值和残余应力最值的位置和大小,为下一步钢板剪力墙的焊接提供了理论和实验基础。（5）结合北京电视台、津塔、鸟巢三个工程,对比了三者在监测过程、施工时变分析以及位形调整的方法的共同规律和不同点,为下一步进行施工过程监测、施工模拟分析、以及位形调整等提供了现实依据。分析了监测、施工时变分析以及位形调整中存在的现实、理论以及操作可行性问题,为施工时变结构的进一步研究提供了建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 施工时变结构体系的概念
• 1.2 国内外研究进展
• 1.3 本文研究的主要内容和创新点
• 第二章 施工时变结构体系相关理论和变形控制方法
• 2.1 施工时变结构的数值模拟
• 2.1.1 施工模拟方法
• 2.1.2 模拟施工的生死单元技术
• 2.2 施工时变结构的材料徐变影响分析
• 2.2.1 徐变计算理论
• 2.2.2 材料本构关系
• 2.2.3 混凝土徐变计算模型
• 2.2.4 钢管混凝土徐变变形的计算
• 2.2.5 津塔徐变计算模型
• 2.2.6 津塔中徐变影响分析
• 2.3 施工时变结构地基沉降影响分析
• 2.3.1 土的沉降计算理论
• 2.3.2 桩基沉降规律
• 2.4 施工时变过程控制与监测
• 2.4.1 施工变形控制的概念
• 2.4.2 结构施工中变形控制的主要方法
• 2.4.3 施工过程监测
• 2.5 小结
• 第三章 高层钢结构施工时变位形分析
• 3.1 结构施工位形与预调值
• 3.1.1 结构施工位形
• 3.1.2 结构施工预调值
• 3.2 结构施工预变形及分析原理
• 3.2.1 结构施工过程的模拟
• 3.2.2 变形预调值分析方法
• 3.3 钢结构施工方法
• 3.3.1 高空散装法
• 3.3.2 高空滑移法
• 3.3.3 分条（分块）安装法
• 3.3.4 整体吊装（提升）法
• 3.4 天津津塔施工过程位形分析模型
• 3.4.1 项目概况和结构体系
• 3.4.2 结构荷载
• 3.4.3 目标位形的确定
• 3.4.4 有限元建模
• 3.4.5 地基基础的考虑
• 3.5 计算模型及分析结果的合理性验证
• 3.5.1 结构自重和自振特性的对比
• 3.5.2 自重和附加恒荷载下，两种分析软件的竖向反力和柱中轴力对比
• 3.5.3 预变形模型经施工模拟计算后，楼层控制点标高的计算精度
• 3.5.4 楼面梁内拉力对比验证
• 3.5.5 地基沉降及筏板应力
• 3.6 天津津塔中内外筒竖向变形差的监测
• 3.7 天津津塔内外筒竖向变形分析
• 3.7.1 仅考虑压缩变形时的变形分析
• 3.7.2 考虑地基不均匀沉降时的变形分析
• 3.7.3 关键柱的变形分析
• 3.7.4 施工预调值分析
• 3.7.5 沉降差理论值与实测值对比
• 3.7.6 小结
• 第四章 高层钢结构施工时变应力状态监测
• 4.1 施工时变应力监测的原理
• 4.1.1 系统的硬件部分
• 4.1.2 系统的软件部分
• 4.2 应力监测测点布置
• 4.2.1 测点布置的原则
• 4.2.2 津塔的传感器布置
• 4.3 津塔施工过程模拟计算
• 4.3.1 施工模拟模型
• 4.3.2 模型正确性验证
• 4.3.3 计算结果分析
• 4.4 监测结果分析
• 4.4.1 钢管柱轴力
• 4.4.2 钢梁应力
• 4.4.3 钢管柱应力
• 4.4.4 加强层斜撑应力
• 4.4.5 竖向钢管柱应力对比
• 4.5 监测值与计算值对比
• 4.6 小结
• 第五章 钢板剪力墙焊接应力监测与数值分析
• 5.1 引言
• 5.1.1 焊接变形的产生
• 5.1.2 残余应力对结构影响
• 5.2 钢板剪力墙焊接试验
• 5.2.1 试验目的
• 5.2.2 试验方法
• 5.2.3 试验过程
• 5.3 钢板剪力墙应力监测结果
• 5.3.1 不同焊接顺序下结构应力监测
• 5.3.2 不同焊接速度下结构应力监测
• 5.4 钢板剪力墙的数值模拟
• 5.4.1 焊接结构模拟的相关理论
• 5.4.2 焊接工序对结构中钢板应力影响
• 5.4.3 焊接速度对结构中钢板应力影响
• 5.5 小结
• 第六章 典型钢结构过程监测结果的分析比较
• 6.1 CCTV新台址监测
• 6.1.1 工程概况
• 6.1.2 主楼大悬臂施工过程监测
• 6.1.3 合龙缝变形监测
• 6.1.4 应力监测结果
• 6.1.5 监测结果
• 6.2 昆明新机场监测
• 6.2.1 工程概况
• 6.2.2 施工阶段监测方案
• 6.2.3 运营过程应变监测方案
• 6.2.4 阶段性监测成果
• 6.3 国家体育场（鸟巢）监测
• 6.3.1 工程概况
• 6.3.2 主桁架应力监测
• 6.4 各工程监测总结
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历