方钢管混凝土柱-型钢混凝土梁转换框架的抗震性能及设计方法研究

发布时间：2020-10-18 09:08

　　 转换框架往往位于结构的关键部位,承受巨大的竖向荷载及水平荷载,一旦破坏将造成整体结构倾覆或坍塌,从而导致严重的人员伤亡及巨大的财产损失。在地震作用下,转换框架由于其上下结构不连续,由此导致刚度突变,往往会引发严重的应力集中及弹塑性变形集中。故此,在结构设计时,对转换框架承载力及抗震性能的要求也远高于常规框架结构。方钢管混凝土(CFST)柱及型钢混凝土(SRC)梁是已被证实具有较高承载力及延性性能的结构构件,从目前已有的工程实践及文献研究来看,将两者同时应用于转换框架的案例及研究还鲜有报道。故此,本文对方钢管混凝土柱-型钢混凝土梁转换框架的抗震性能展开研究,设计制作了 10个试验试件,并分别对其进行竖向分级加载及低周往复加载。在试验研究的基础上,建立了结构的数值分析模型,并据此深入研究结构力学机理及进行参数拓展分析。依托试验及数值分析结果,建立了结构的恢复力模型,并提出了基于能量平衡的抗震设计方法。主要研究成果如下:(1)对竖向荷载作用下的结构响应进行了研究,分析了SRC梁裂缝发展模式、钢材应变变化规律、结构力矩分布特点及SRC梁变形情况,结果显示:竖向荷载作用下,SRC梁在跨中首先出现弯曲裂缝,随后在1/3跨段出现斜向剪切裂缝,最大裂缝宽度约为0.2mm,挠度约为梁跨的1/600;柱钢管应变与结构所施加的轴压力直接相关,且轴压比越大,钢管承载比重越高;结构实测力矩与力矩分配法计算结果略有差别,实测梁跨中力矩值小约13.8%,下柱端力矩小约20%。(2)对10个试验试件进行低周往复荷载试验,观测了结构的破坏过程及破坏模式,详细地分析了结构的滞回曲线、骨架曲线、承载力衰减、刚度退化、延性性能及耗能能力,主要结论如下:1)在低周往复荷载作用下,结构SRC梁裂缝发展以斜裂缝为主,CFST柱在峰值状态后呈现出较明显的塑性变形;在所测试的10个试件中,所观察到的结构破坏模式有柱铰破坏模式、柱铰-梁铰破坏模式及柱铰-柱受拉混合破坏模式。2)所有试件的滞回曲线饱满,呈纺锤形,但轴压比对其的影响尤为显著,梁柱线刚度比的影响次之,其余参数的影响相对较小;所有试件的位移延性系数均大于3.0,等效黏滞阻尼系数位于0.258-0.463区间,展示出良好的抗震性能。3)结构屈服时的层间位移角位于1/108～1/146区间,破坏时的层间位移角位于1/28～1/47区间,远高于规范限值。此外,结构破坏时,梁跨中挠度值约为梁跨的1/100～1/150,也展现出了良好的抗变形能力。(3)对方钢管混凝土柱-型钢混凝土梁转换框架进行数值模拟及力学机理研究,提出了适用于结构分析的有限元计算模型,并利用试验数据从破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、钢材应变及滞回耗能等方面对有限元模型加以验证。分析了结构的应变变化规律,并参考ACI 445R-99(R2015)所建议的桁架模型构建了方钢管混凝土柱-型钢混凝土梁转换框架的理想化力学分析模型,试验数据验证结果显示:所构建的理想化力学模型完全能够反映结构的力学变化特征。(4)在分析试验数据及有限元模拟的基础上,构建了方钢管混凝土柱-型钢混凝土梁转换框架的恢复力模型,确定了弹性刚度、极限承载力、峰值点位移及退化刚度等关键参数的计算方法,制定了相应的滞回规则。利用所建立的恢复力模型计算结构的骨架曲线及滞回曲线,结果显示:计算骨架曲线、滞回曲线与试验实测曲线吻合良好,由此证明所构建的恢复力模型可为方钢管混凝土柱-型钢混凝土梁转换框架的抗震弹塑性分析提供确实可信的计算数据。(5)通过对地震输入能量及结构耗散能量进行分析,建立了方钢管混凝土柱-型钢混凝土梁转换框架基于能量平衡的塑性抗震设计方法。同时,利用结构变形解构的思想明确了构件变形与结构整体变形之间的关系,将构件变形作为结构性能设计的控制目标,设计过程体现了“低弹性承载力、高延性”或“高弹性承载力、低延性”的结构抗震性能化设计思想。此外,以方钢管混凝土柱-型钢混凝土梁转换框架低周往复荷载试验的破坏模式为蓝本,设计了 4个计算算例,并采用所建议的抗震设计方法对算例结构进行抗震设计,结果显示:所建议的抗震设计方法计算高效、方便实用。
【学位单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU398.9;TU352.11
【部分图文】：

给竖向构件，从而满足功能与力学的要求。在实际工程中，转换框架的应用范围很广，??如多高层建筑中的转换结构［｜４、桥梁工程中的墩柱盖梁体系＆４］及基础工程中的弹性地??基梁基础［５］、矿山井塔［６］等。图１－１为转换框架的工程应用示意。??ｉｌｌ??罐琴７?ＳＰ??（ａ）建筑工程?（ｂ）桥梁工程?（ｃ）基础工程??图１－１转换枢架的工程应用??Ｆｉｇ．?１－１?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｔｒａｎｓｆｅｒ?ｆｒａｍｅ??作为结构荷载传递的关键部位，转换框架在整体结构中的作用至关重要，一旦破坏??将造成整体结构倾覆或坍塌，从而导致严重的人员伤亡及巨大的财产损失。为此，各国??设计规范对此类框架的承载能力及抗震性能均提出了远比常规框架更高的设计要求。我??国于２０１０年最新颁布的《高层建筑馄凝土结构技术规程》（ＪＧＪ３－２０１０）?［７］及《建筑抗震??设计规范》（ＧＢ５００１１－２０１０）?［８］规定转换框架应通过增大地震作用内力来提高结构的承??载能力；同时，限定最小钢筋用量及控制轴压比来保证结构延性。其目的是推迟结构的??塑性发展及提供足够的变形能力。对于桥梁下部转换结构，规范《公路桥梁抗震设计细??贝ＩＪ》（ＪＴＧ／ＴＢ０２－０１－２００８）?［９］及《城市桥梁抗震设计规范》（ＣＪＪ?１６６－２０１１）?［１（）］则通过超??强系数来提高能力保护构件的承载能力（如盖梁的抗弯、抗剪能力

?〖＜：细比?ｇ．Ｍ系数??图１－３方钢管混凝土已有试验基本信息统计??Ｆｉｇ．?１－３?Ｂａｓｉｃ?ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｅｓｔｅｄ?ＣＦＳＳＴ?ｍｅｍｂｅｒｓ??延性是钢管混凝土结构抗震性能最核心的指标之一，通常用位移延性系数ｃ？）进行表??征，其表达式为：??＾?＝?（１－５）??式中：戽与分别为构件在破坏及屈服时的侧向位移。??１０?????？吕西林［１０４］??８?■?＂?＃?庸漏?▲Ｖａｒｍａ［１０６］??■?＃?＾?■李黎明［１０７］??３?６?．?＿?。聂瑞锋［１１０］??Ｓ?４?－?Ａ?。笔‘Ａ．?Ａ?Ａ?蔡传国［ｍ］??＿??〇．?＾?４＾??〇?陈宗平［１１２］??２?＇?Ａ苏益声［１１３］??〇马恺泽［１０８］??０??１?１?１?１????０．０?０．２?０．４?０．６?０．８?１．０??轴压比０ｔ）??图１－４已测试方钢管混凝土柱的位移延性系数??Ｆｉｇ．?１－４?Ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｅｓｔｅｄ?ＣＦＳＳＴ?ｍｅｍｂｅｒｓ??９??

西大学博士学位论文?方钢管混凝土柱－型钢谋凝土梁转换框梁的抗震性能及设计方法研梁转换框架的简化力学分析模型，并利用该模型揭示了具有不同破坏模式结构的理，与试验结果高度吻合。该模型可为实际工程的力学分析提供参考。??（５）建立了构件变形与结构整体变形之间的关系，并提出了以构件变形为性能控标，以能量平衡为基本原理的塑性抗震设计方法，给出了具体的抗震设计流程。该方法较好地体现了结构抗震性能化设计的基本思想。??．４．４研究思路??本课题对方钢管混凝土柱－型钢混凝土梁转换框架的抗震性能及设计方法展开研用的主要研宄手段有：??验研究（主要考察结构的竖向荷载反应及侧向动力荷载反应）??数值模拟（建立合理的数值分析模型，对参数进行拓展分析并掲示结构的力学机理理论分析（建立结构的恢复力模型，提出结构的抗震设计方法）??全文通过构建总体研究思路及细化每一章节研究内容以实现本文拟定的研究目文的基本研宄框架如图１－５所示。??ｐ验研宄??

本文编号：2846101