T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱抗震性能试验研究.pdf
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1、分类号 TU398 密级UDC _硕士学位论文T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱抗震性能试验研究学科专业 结构工程 T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱抗震性能试验研究摘要针对普通钢筋混凝土异形柱承载力弱、轴压比限值低、延性较差等缺 点,学者们提出了许多改进方法,如在异形柱中设置暗柱、预埋钢骨等,但这些措施仍存在某些不足之处,例如钢骨混凝土异形柱存在施工困难等 问题,至今尚未在工程中大量推广使用。因此,从施工简便性及高效性出 发,提出一种新型T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱,其特点是在T 形截面柱翼缘与腹板肢端外包槽钢,槽钢与混凝土通过剪力连接件来协调 共同工作。并在此基础上设计出一种预
2、制装配式T形截面肢端外包槽钢混 凝土组合异形柱。为了研究T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱的抗震性能,设计 制作了 3个现浇T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱、2个预制装配式 T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱和1个为普通钢筋混凝土 T形截 面异形柱,并对其进行了低周反复荷载试验。试验结果表明:(1)T形截 面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱柱脚最终破坏情况较普通钢筋混凝土 T 形截面异形柱轻,破坏时混凝土表面压碎外鼓继而剥落,并未出现普通钢 筋混凝土 T形截面柱腹板边缘混凝土完全剥落的情况,承载力提高明显;(2)T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱在耗能、延性等抗震性能方 面较普通钢筋混凝
3、土 T形截面柱有明显改善,相同轴压比下位移延性系数 比普通钢筋混凝土 T形截面柱提高了 44.8%;(3)轴压比越大的试件,屈 服荷载、粘滞阻尼系数越大,但延性越低,承载力退化、刚度退化越快;(4)增大含钢率对试件抗震承载力提高明显;(5)预制装配式T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱极限承载力与现浇T形截面肢端外包槽钢 混凝土组合异形柱相差不大,破坏时柱脚预制部分连接处没有破坏迹象;(6)力控阶段T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱基本符合平截面假 定,槽钢与混凝土协同工作能力较好。关键词:槽钢组合结构异形柱抗震性能低底周反复荷载试验EXPERIMENTAL STUDY ON SEISMIC
4、 BEHAVIOR OFSTEEL-ENCASED CONCRETE COMPOSITE T-SHAPEDCROSS-SECTION SPECIAL-SHAPED COLUMNSABSTRACTI n view o f t he disadvant ages o f weak bearing capacit y,l o w axial co mpressio n rat io,and po o r duct il it y o f o rdinary reinfo rced co ncret e special-shaped co l umns,scho l ars have pro po s
5、ed many impro vement s,such as set t ing up cnceal ed co l umn in a special-shaped co l umn,embedding st eel,et c.But t hese measures st il l exist so me o f t he sho rt co mings,such as t he difficul t y in co nst ruct io n o f special shaped co l umns o f st eel reinfo rced co ncret e,have so far
6、no t been widel y used in t he pro ject.Therefo re,st art ing fro m t he simpl icit y o f co nst ruct io n and high efficiency,a new t ype o f st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shaped cro ss-sect io n special-shaped co l umn is pro po sed,which is charact erized by t he T-sect io n co l umn f
7、l ange and t he o ut er edge o f t he web cl adding channel,channel st eel and co ncret e t hro ugh t he shear co nnect o r t o co o rdinat e jo bs.And based o n t his design a prefabricat ed st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shaped cro ss-sect io n special-shaped co l umn.I n o rder t o st u
8、dy t he seismic perfo rmance o f st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shaped cro ss-sect io n special-shaped co l umns,t hree cast-in-sit u st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shaped cro ss-sect io n special-shaped co l umns,t wo prefabricat ed st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shape
9、d cro ss-sect io n special-shaped co l umns and an o rdinary reinfo rced co ncret e T-shaped co l umns were designed and manufact ured,and subject ed t o l o w-cycl e reversed l o ading t est s.The resul t s sho wed t hat:(1)The final damage o f st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shaped cro ss
10、-sect io n special-shaped co l umns po st s is sl ight l y wo rse t han t hat o f RC special co l umns.The co ncret e surface crushes t he o ut er drum and t hen peel s o ff when it breaks.There is no co ncret e spal l ing at t he edge o f t he co l umn web l ike RC T-shaped co l umns,and t he beari
11、ng capacit y increases significant l y;(2)The st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shaped cro ss-sect io n special-shaped co l umns have significant l y impro ved t he seismic perfo rmance such as energy dissipat io n and duct il it y co mpared wit h o rdinary reinfo rced co ncret e T-shaped co
12、l umns,and t he indispl acement duct il it y co efficient o f st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shaped cro ss-sect io n special-shaped co l umns at t he same axial-pressure rat io is 44.8%higher t han t hat o f o rdinary reinfo rced co ncret e T-shaped co l umns;(3)The l arger t he axial co m
13、pressio n rat io,t he great er t he yiel d l o ad and visco us damping co efficient.Ho wever,t he l o wer t he duct il it y,t he l o wer t he bearing capacit y degradat io n and t he fast er t he st iffness degradat io n;(4)The increase o f t he st eel rat io increases t he seismic bearing capacit y
14、 o f t he specimen significant l y;(5)The ul t imat e bearing capacit y o f prefabricat ed st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shaped cro ss-sect io n special-shaped co l umns is no t much different fro m t hat o f cast-in-sit u st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shaped cro ss-sect io n s
15、pecial-shaped co l umns,and t he jo int s o f t he prefabricat ed part s are no t damaged when t hey are dest ro yed;(6)The st eel-encased co ncret e co mpo sit e T-shaped cro ss-sect io n special-shaped co l umns basical l y meet s t he fl at sect io n assumpt io n,and t he channel st eel and co nc
16、ret e wo rk wel l t o get her in t he fo rce co nt ro l phase.KEY WORDS:Channel st eel;co mpo sit e st ruct ure;special-shaped co l umn;seismic perfo rmance;l o w-cycl e reversed l o ading t est srv目录摘要.IABSTRACT.I l l第一章绪论.11.1 选题背景及意义.11.2 异形柱结构抗震性能研究现状.21.2.1 钢筋混凝土异形柱结构抗震性能研究现状.21.2.2 型钢混凝土异形柱结构抗
17、震性能研究现状.31.2.3 钢管混凝土异形柱结构抗震性能研究现状.61.3 钢一混凝土组合结构的发展与研究现状.71.3.1 压型钢板混凝土组合板.81.3.2 钢混凝土组合梁.81.3.3 钢管混凝土结构.91.3.4 钢骨混凝土结构.91.3.5 外包钢混凝土组合结构.91.4 预制装配式混凝土结构的发展与研究现状.101.5 T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱的提出.111.5.1 现浇T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱.121.5.2 预制装配式T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱.121.6 主要研究内容.13第二章试验方案.152.1 试验目的.152.2 试件设计及制作.1
18、52.2.1 试件设计.152.2.2 试件制作.182.2.3 材料性能测试.202.3 试验测试内容和方法.212.3.1 试验主要测试内容.212.3.2 测试方法.21v2.4 加载方案.222.4.1 加载装置.222.4.2 加载制度.232.5 试验过程控制.232.5.1 屈服位移的确定.232.5.2 极限荷载和破坏荷载的确定.242.6 小结.24第三章SCCT形柱与RCT形柱抗震性能对比分析.253.1 试验过程现象对比分析.253.1.1 力控阶段.253.1.2 位控阶段.263.1.3 对比分析.283.2 滞回曲线.293.3 骨架曲线.313.4 承载力及延性分
19、析.323.5 耗能分析.333.6 承载力退化分析.353.7 刚度退化分析.363.8 小结.37第四章PSCC T形柱与SCC T形柱抗震性能对比分析.394.1 试验过程现象对比分析.394.1.1 力控阶段.394.1.2 位控阶段.404.1.3 对比分析.424.2 滞回曲线.434.3 骨架曲线.444.4 承载力及延性分析.444.5 耗能分析.454.6 承载力退化分析.464.7 刚度退化分析.47VI4.8 小结.47第五章 轴压比对SCC T形柱和PSCC T形柱抗震性能的影响.495.1 试验过程现象对比分析.495.1.1 力控阶段.495.1.2 位控阶段.50
20、5.1.3 对比分析.535.2 滞回曲线.545.3 骨架曲线.555.4 承载力及延性分析.555.5 耗能分析.565.6 承载力退化分析.575.7 刚度退化分析.595.8 小结.60第六章 含钢率对SCCT形柱抗震性能的影响.616.1 试验过程现象对比分析.616.1.1 力控阶段.616.1.2 位控阶段.616.1.3 对比分析.636.2 滞回曲线.636.3 骨架曲线.646.4 承载力及延性分析.656.5 耗能分析.656.6 承载力退化分析.666.7 刚度退化分析.676.8 小结.68第七章 荷载-应变P-曲线.697.1 柱顶荷载-槽钢应变曲线.697.2 柱
21、顶荷载-钢筋应变曲线.707.3 柱顶荷载-栓钉应变曲线.727.4 小结.73VII第八章槽钢与混凝土协同工作能力.758.1 平截面假定.758.2 荷载-应变峰值点曲线.778.3 栓钉受力变形分析.788.4 小结.79第九章结论与展望.819.1 结论.819.2 T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱抗震设计几点建议.829.3 相关展望.82参考文献.83VIII广西大学硕士学位论文T形截面肢端外包槽钢混凝土组合异形柱抗震性能试验研究第一章绪论1.1 选题背景及意义异形柱,顾名思义,就是截面形状异于普通矩形柱的柱子,其常见的截面形式有T 型、L型和十字型等。异形柱框架结构是从上世纪
22、70年代开始逐渐发展起来的一种新 型结构体系,在此之前,传统的框架结构大多采用矩形截面柱,柱的棱角凸出墙外,占 据了一定的空间范围,使得室内家具的摆放和空间布置极为不便。人们就希望有一种结 构像砖混结构一样,墙角处整齐美观,空间布置灵活,异形柱结构就在这种背景下应运 而生。异形柱的肢厚与墙厚相等,完全消除了柱棱角凸出墙外这一弊端,使得房屋空间 布置不受限制,房屋可利用面积增大,异形柱截面较矩形柱截面小,减少了混凝土的用 量,完全满足建筑的美观功能、实用功能和经济功能,为住户创建了理想的居住环境。正因如此,异形柱结构迅速得到了广大用户和房地产投资商的青睐。随着研究的深入和实际工程的推广应用,钢筋
23、混凝土(RC)异形柱结构的不足之 处却日益凸显,主要集中在以下几个方面:(1)RC异形柱承载力不足。由于异形柱截面多肢的存在,受力机理复杂,在荷载 作用下肢端薄弱处首先遭到破坏,承载力显然不如普通矩形截面柱,应用高度受到很大 限制,我国于2017年颁布的行业标准混凝土异形柱结构技术规程JGJ149-2017(以 下简称“规程”)规定了异形柱结构适用的房屋最大高度:非抗震设计时,异形柱框架 结构最大高度为28m;抗震设计时,6度(0.05g)地区不超过24m,7度(0.10g、0.15g)地区不超过21m、18m,8度(0.20g)地区不超过12m。随着城市人口的增长和建筑用 地的日趋紧张,中高
24、层和高层住宅必将成为城市发展的一大特征。如何提高RC异形柱 结构的承载力,使其适用于更高的建筑物中,成为一个亟待解决的问题。(2)RC异形柱轴压比限值低。考虑到异形柱截面的不规则性,其受力性能与普通 矩形柱有很大差别,规程明确对各截面异形柱在各抗震等级下的轴压比作出了严格限 制,这给工程设计者增加许多困难。(3)RC异形柱延性差。限制轴压比的根本原因是出于对其延性的考虑。由于异 形柱截面的分散性,回转半径较大,抗侧刚度大,但在地震荷载作用下RC异形柱侧向 位移小,变形能力低,延性差。综上可知,RC异形柱虽然有其不可否认的优点,但缺点也不可掩饰,如何扬长避 1广西大学硕士学位论文T形截面肢端外包
25、槽钢混凝土组合异形柱抗震性能试验研究短成了学者们孜孜以求的目的。近年来,学者们相继提出异形柱中设置暗柱或交叉筋、预埋钢骨等措施,均旨在突破这种难题。目前预制装配式结构是我国大力提倡的建筑结构类型,其优点毋庸置疑:较现浇混 凝土结构而言,具有效率高、能耗低、对环境扰动小、建筑质量高等特点。2017年3 月住建部印发的“十三五”装配式建筑行动方案明确提出,到2020年,全国装配 式建筑占新建建筑的比例达到15%以上,其中重点推进地区达到20%以上。由此看来,大力发展装配式结构势在必行。目前,异形柱与装配式结构是两个热点研究课题,将两者结合起来,研究装配式异 形柱结构,具有重大意义。1.2 异形柱结
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