型钢混凝土异形柱框架抗震性能及设计方法研究
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摘要
型钢混凝土异形柱结构是异形柱结构和型钢混凝土结构相结合产生的一种新型结构体系，它不仅具有异形柱结构柱楞在室内不凸出、少占建筑空间、美观适用等优点，还保持了型钢混凝土结构承载能力高、抗震性能好等优越性。课题组前期已经对型钢混凝土异形柱及其框架节点的基本受力行为及抗震性能进行了研究，本文在此基础上对型钢混凝土异形柱框架的抗震性能及设计方法进行系统研究。
设计了3榀两跨三层的型钢混凝土异形柱框架，分别为空腹式配钢的异形柱中框架、实腹式配钢的异形柱边框架和实腹式配钢的异形柱中框架。通过对其进行低周反复加载试验，观察了型钢混凝土异形柱框架的受力过程和破坏形态，获得了型钢应变的分布、荷载-位移滞回曲线和骨架曲线，分析了其承载力、层间位移角、延性、耗能能力、刚度退化等力学性能。结果表明：型钢混凝土异形柱框架破坏时形成梁铰机制，符合“强柱弱梁”的抗震设计要求；滞回曲线饱满对称，延性和耗能能力均优于钢筋混凝土异形柱框架。基于试验结果，提出了型钢混凝土异形柱框架的三折线恢复力模型。
采用有限元软件Abaqus对型钢混凝土异形柱框架进行了单调荷载作用下的静力弹塑性分析，计算结果与试验结果符合较好。根据计算结果，对型钢混凝土异形柱框架的工作机理进行了分析，明晰了型钢混凝土异形柱框架在水平荷载作用下的截面应力分布和发展规律以及破坏模式。在此基础上，建立Abaqus模型分析了混凝土强度、柱型钢强度、轴压比、柱肢高肢厚比、梁柱线刚度比和梁柱屈服弯矩比对型钢混凝土异形柱框架受力性能的影响，得到了各参数的影响规律。
采用Opensees平台系统对型钢混凝土异形柱框架进行了滞回性能及时程反应分析。对试验框架模型进行低周反复荷载作用下的有限元计算，得到的滞回曲线与试验结果符合较好。根据计算结果，分析了型钢混凝土异形柱框架梁端和柱端的弯矩-曲率滞回曲线以及P-Δ效应和轴压比对型钢混凝土异形柱框架滞回性能的影响。对试验框架模型进行模态分析和输入地震波作用下的时程分析，结果与Sap2000的相应计算结果符合较好。基于计算结果，分析了峰值加速度相同的不同地震波作用下以及峰值加速度不同的同一地震波作用下型钢混凝土异形柱框架的位移、加速度和基底剪力等动力响应。
参照国内外相关规范，将型钢混凝土异形柱框架的性能水平划分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和接近倒塌五档，并结合三个地震设防水准，给出了型钢混凝土异形柱框架的抗震性能目标。在型钢混凝土异形柱及框架抗震性能试验研究的基础上，提出了型钢混凝土异形柱框架对应五个性能水平的层间位移角限值。
将基于位移的抗震设计理论应用于型钢混凝土异形柱框架，结合其结构特点给出了设计步骤，并以8层框架为例，具体说明了设计过程。同时，通过总结分析给出了型钢混凝土异形柱框架的构件截面设计方法。
Steel reinforced concrete (SRC) special-shaped column structure is a new structuralsystem, which is the combination of special-shaped column structure and SRC structure.It not only makes better use of available space and improves the esthetic appearance ofstructure, but also has high strength and good seismic performance. The basic mechanicalbehavior and seismic performance of SRC special-shaped column and beam-column jointhave been studied. Based on the previous studies, the research on seismic performanceand design method of SRC frame with special-shaped columns is systematicallyperformed in this dissertation.
According to the experimental study on3models of two-bay and three-story framecomposed of reinforced concrete beams and SRC special-shaped columns under lowcyclic reversed loading, the failure process and pattern were observed. The straindistribution of shaped steel, load-displacement hysteretic loops and skeleton curves wereobtained. The mechanical behaviors such as load bearing capacity, inter-story drift ratio,ductile, energy dissipation and stiffness degradation were analyzed. The results show thatthe SRC frame with special-shaped columns is a typical strong column and weak beamstructure, and can form the beam-hinged failure mechanism. The hysteretic loops aresymmetric and plump. Compared with the reinforced concrete frame with special-shapedcolumns, the ductile and energy dissipation are better. Based on the experimental results,the restoring force model of SRC frame with special-shaped columns is presented.
The static elasto-plastic analysis on SRC frame with special-shaped columns under monotonic loading was carried out by using Abaqus. The calculated results agree wellwith experimental results. According to the calculated results, the mechanicalmechanisms of SRC frame with special-shaped columns are analyzed, obtaining the lawof stress distribution and development of section and failure modes. Furthermore,parametric analysis of mechanical behavior of SRC frames with special-shaped columnswas performed. The concrete strength, steel strength, axial compression ratio, ratio ofspecial-shaped column limb height to thickness, stiffness ratio of beam to column andyield bending moment of beam to column were all considered as analysis parameters.
The hysteretic performance analysis and dynamic analysis on SRC frame withspecial-shaped columns were carried out by using Opensees. The finite elementcalculation of experimental specimens under cyclic loading is finished, of which theresults agree well with experimental results. According to the calculated results, themoment-curvature hysteretic loops of beam ends and column ends are given, and theinfluences of P-Δ effect and axial compression ratio are analyzed. The modal analysis andtime history analysis were performed on the experimental frames. Verified by Sap2000,the analysis models are proper. Based on the calculated results, the dynamic responses ofdisplacement, acceleration and base shear under the different earthquake waves with thesame maximum acceleration and the same earthquake wave with different maximumaccelerations are analyzed.
Referring the current codes, five performance levels are put forward for SRC framewith special-shaped columns, which are full operation, temporary operation, reparableoperation, life safety and collapse prevention. The five performance levels and threeseismic levels are combined to form the seismic performance target. Based on the resultsof seismic performance tests on SRC special-shaped columns and frames, the maximuminter-story drift angle corresponding to different performance levels are presented for theSRC frame with special-shaped columns.
Performance-based seismic design theory is applied to the SRC frame withspecial-shaped columns. Against the structural characteristic, the design procedure isgiven, and taking eight-story frame as an example, the design process is demonstrated.Besides, the design methods of member section of SRC frames with special-shapedcolumns are proposed by generalization and analysis.
设计了3榀两跨三层的型钢混凝土异形柱框架，分别为空腹式配钢的异形柱中框架、实腹式配钢的异形柱边框架和实腹式配钢的异形柱中框架。通过对其进行低周反复加载试验，观察了型钢混凝土异形柱框架的受力过程和破坏形态，获得了型钢应变的分布、荷载-位移滞回曲线和骨架曲线，分析了其承载力、层间位移角、延性、耗能能力、刚度退化等力学性能。结果表明：型钢混凝土异形柱框架破坏时形成梁铰机制，符合“强柱弱梁”的抗震设计要求；滞回曲线饱满对称，延性和耗能能力均优于钢筋混凝土异形柱框架。基于试验结果，提出了型钢混凝土异形柱框架的三折线恢复力模型。
采用有限元软件Abaqus对型钢混凝土异形柱框架进行了单调荷载作用下的静力弹塑性分析，计算结果与试验结果符合较好。根据计算结果，对型钢混凝土异形柱框架的工作机理进行了分析，明晰了型钢混凝土异形柱框架在水平荷载作用下的截面应力分布和发展规律以及破坏模式。在此基础上，建立Abaqus模型分析了混凝土强度、柱型钢强度、轴压比、柱肢高肢厚比、梁柱线刚度比和梁柱屈服弯矩比对型钢混凝土异形柱框架受力性能的影响，得到了各参数的影响规律。
采用Opensees平台系统对型钢混凝土异形柱框架进行了滞回性能及时程反应分析。对试验框架模型进行低周反复荷载作用下的有限元计算，得到的滞回曲线与试验结果符合较好。根据计算结果，分析了型钢混凝土异形柱框架梁端和柱端的弯矩-曲率滞回曲线以及P-Δ效应和轴压比对型钢混凝土异形柱框架滞回性能的影响。对试验框架模型进行模态分析和输入地震波作用下的时程分析，结果与Sap2000的相应计算结果符合较好。基于计算结果，分析了峰值加速度相同的不同地震波作用下以及峰值加速度不同的同一地震波作用下型钢混凝土异形柱框架的位移、加速度和基底剪力等动力响应。
参照国内外相关规范，将型钢混凝土异形柱框架的性能水平划分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和接近倒塌五档，并结合三个地震设防水准，给出了型钢混凝土异形柱框架的抗震性能目标。在型钢混凝土异形柱及框架抗震性能试验研究的基础上，提出了型钢混凝土异形柱框架对应五个性能水平的层间位移角限值。
将基于位移的抗震设计理论应用于型钢混凝土异形柱框架，结合其结构特点给出了设计步骤，并以8层框架为例，具体说明了设计过程。同时，通过总结分析给出了型钢混凝土异形柱框架的构件截面设计方法。
Steel reinforced concrete (SRC) special-shaped column structure is a new structuralsystem, which is the combination of special-shaped column structure and SRC structure.It not only makes better use of available space and improves the esthetic appearance ofstructure, but also has high strength and good seismic performance. The basic mechanicalbehavior and seismic performance of SRC special-shaped column and beam-column jointhave been studied. Based on the previous studies, the research on seismic performanceand design method of SRC frame with special-shaped columns is systematicallyperformed in this dissertation.
According to the experimental study on3models of two-bay and three-story framecomposed of reinforced concrete beams and SRC special-shaped columns under lowcyclic reversed loading, the failure process and pattern were observed. The straindistribution of shaped steel, load-displacement hysteretic loops and skeleton curves wereobtained. The mechanical behaviors such as load bearing capacity, inter-story drift ratio,ductile, energy dissipation and stiffness degradation were analyzed. The results show thatthe SRC frame with special-shaped columns is a typical strong column and weak beamstructure, and can form the beam-hinged failure mechanism. The hysteretic loops aresymmetric and plump. Compared with the reinforced concrete frame with special-shapedcolumns, the ductile and energy dissipation are better. Based on the experimental results,the restoring force model of SRC frame with special-shaped columns is presented.
The static elasto-plastic analysis on SRC frame with special-shaped columns under monotonic loading was carried out by using Abaqus. The calculated results agree wellwith experimental results. According to the calculated results, the mechanicalmechanisms of SRC frame with special-shaped columns are analyzed, obtaining the lawof stress distribution and development of section and failure modes. Furthermore,parametric analysis of mechanical behavior of SRC frames with special-shaped columnswas performed. The concrete strength, steel strength, axial compression ratio, ratio ofspecial-shaped column limb height to thickness, stiffness ratio of beam to column andyield bending moment of beam to column were all considered as analysis parameters.
The hysteretic performance analysis and dynamic analysis on SRC frame withspecial-shaped columns were carried out by using Opensees. The finite elementcalculation of experimental specimens under cyclic loading is finished, of which theresults agree well with experimental results. According to the calculated results, themoment-curvature hysteretic loops of beam ends and column ends are given, and theinfluences of P-Δ effect and axial compression ratio are analyzed. The modal analysis andtime history analysis were performed on the experimental frames. Verified by Sap2000,the analysis models are proper. Based on the calculated results, the dynamic responses ofdisplacement, acceleration and base shear under the different earthquake waves with thesame maximum acceleration and the same earthquake wave with different maximumaccelerations are analyzed.
Referring the current codes, five performance levels are put forward for SRC framewith special-shaped columns, which are full operation, temporary operation, reparableoperation, life safety and collapse prevention. The five performance levels and threeseismic levels are combined to form the seismic performance target. Based on the resultsof seismic performance tests on SRC special-shaped columns and frames, the maximuminter-story drift angle corresponding to different performance levels are presented for theSRC frame with special-shaped columns.
Performance-based seismic design theory is applied to the SRC frame withspecial-shaped columns. Against the structural characteristic, the design procedure isgiven, and taking eight-story frame as an example, the design process is demonstrated.Besides, the design methods of member section of SRC frames with special-shapedcolumns are proposed by generalization and analysis.
引文
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