方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁框架抗震性能研究.pdf
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1、分类号 TU398 密级UDC _硕士学位论文方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁 框架抗震性能研究学科专业 结构工程 方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁框架 抗震性能研究摘要随着我国高层建筑以及超高层建筑的快速发展,带转换层结构在这类 建筑中非常常见,其中跨高比在2.05.0之间的转换梁在工程中应用较多,属于短梁。而短梁框架在结构中处于关键位置,已有震害表明短梁框架是 结构抗震中的薄弱环节,易发生剪切脆性破坏,延性差,耗能低,因此设 计时要保证结构具有足够的承载力以及延性。钢管再生混凝土结构和型钢 再生混凝土结构具有良好的抗震性能,同时又利用了建筑垃圾,解决了节 能环保的问题。本课题组
2、在前期研究的基础上提出将两者有机的结合在一 起,组成方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁框架这一新的结构形式,以期其能够获得良好的承载力和抗震性能。为研究该结构的抗震性能,本文设计了两个不同再生粗骨料取代率的 方钢管再生混凝土柱型钢再生混凝土短梁框架试件,同时为对其受力性能 进行对比,还设计了一个只含天然骨料的方钢管混凝土柱-型钢混凝土短梁 框架试件。通过对三个短梁框架试件进行低周反复荷载试验来研究再生混 凝土短梁框架的抗震性能。并且在试验基础上使用有限元分析软件 ABAQUS进行模拟分析,将模拟结果与试验结果对比以验证模型的可靠性。在验证模型可靠的前提下,改变控制参数,进行有限元模拟拓展分
3、析。经过低周反复荷载试验得到:方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短 梁框架具有较好的抗震性能,与只含天然骨料的短梁框架相比,含有再生 骨料的短梁框架的延性略低,并且随着取代率的增大有降低的趋势;再生 骨料取代率对短梁框架的承载力影响不大。经过有限元分析得到:ABAQUS有限元分析得到的分析结果与实验结果基本吻合,该有限元模型 I具有可靠性;取代率的增大会降低试件的延性,对试件的承载力影响不大;轴压比越大试件承载力和延性均有下降;再生混凝土强度越高,试件的承 载力会增大,但延性会下降;梁柱线刚度比增大,试件承载力提高,延性 降低。关键词:钢管混凝土结构 再生混凝土 短梁 框架结构 抗震性能有限
4、元模拟基金项目:国家自然科学基金资助项目(51468003)高等学校博士学科 点专项科研基金联合资助项目(20134501110001)STUDY ON SEISMIC BEHAVIOR OF COMPOSITE FRAMEWITH RACFSST COLUMN AND SRRAC SHORT BEAMABSTRACTBuildings with tr ansition stor y ar e f air ly c ommon in the envir onment of China that high-r ise buildings and super high-r ise building
5、s develop r apidly.The tr ansf er beams ar e widely used in engineer ing whic hs span-depth r atio of span and sec tion height is between 2.05.0,belonged to shor t beam.The shor t beam f r ame is in the key position in the str uc tur e.The ear thquake damage has indic ated that the shor t beam f r a
6、me is weak in the ear thquake r esistanc e.And its going to have br ittle f ailur e,poor duc tility and low ener gy c onsumption in the ear thquake.Ther ef or e,it is nec essar y to ensur e that the str uc tur e has suf f ic ient bear ing c apac ity and duc tility in the design pr oc ess.Combinate t
7、he advantages of Rec yc led aggr egate c onc r ete f illed steel tube(RACF ST)str uc tur e and steel r einf or c ed r ec yc led aggr egate c onc r ete(SRRAC)to make up RAC f illed squar e steel tube c olumn and SRRAC shor t beam f r ames ar e envir onmental and to have good seismic per f or manc e,b
8、ut also solving the c onstr uc tion waste.This ar tic le designs two f r ames of RAC f illed squar e steel tube c olumn and SRRAC shor t beam to study the seismic per f or manc e of this str uc tur e with the dif f er ent RAC r eplac ement r ates.to c ompar e its mec hanic al per f or manc e.This ar
9、 tic le also designs a f r ame of c onc r ete f illed squar e steel tube c olumn and steel r einf or c ed c onc r ete shor t beam.We study these thr ee spediments seismic behavior under the c yc lic r ever sed loading.Based on ex per imental r esult to make simulation analysis with the f inite eleme
10、nt analysis sof twar e ABAQUS and c ompar e the simulation r esults with the test to ver if y simulation r eliability.On c ondition that the simulation r eliability is ver tif ied,ex tending the f inite element simulation in dif f er ent par ameter s.The main c onc lusions ar e:the f r ame of RAC f
11、illed squar e steel tube c olumn and HISRRAC shor t beam f r ame has good seismic behavior.The duc tility of RAC shor t beam f r ame is slightly wor se than or dinar y c onc r ete shor t beam f r ame c ompar ed to or dinar y c onc r ete spec imen,and RAC spec imen appear s a slightly tr end of dec l
12、ine with the gr owth of r eplac ement r ates.But it has little inf luenc e on the bear ing c apac ity.Ther e is a good agr eement with the r esults analyzed by ABAQUS and test,pr oving that the simulation model is r eliable.The r esults of the ex tended analysis ar e as f ollows:with the inc r ease
13、of r ec yc led c oar se aggr egate r eplac ement r ate,the duc tility of spec imens dec r ease,but has little inf luenc e on the bear ing c apac ity.The bear ing c apac ity and duc tility of spec imens dec r ease as the inc r ement of the ax ial c ompr ession r atio.With the inc r ease of str ength
14、of r ec yc led c onc r ete,the bear ing c apac ity inc r ease but the duc tility dec r ease;.As the inc r ease of r ate stif&iess of beam to c olumn,the bear ing c apac ity of spec imens impr oved,but duc tility of spec imens dec r eased.KEYWORDS:c onc r ete f illed steel tube str uc tur e;RAC;shor
15、t beam;f r ame;seismic per f or manc e;f inite element analysisFOUNDATION ITEMS:National Sc ienc e F oundation pr ojec t(51468003);Spec ialized Resear c h F und f br the Doc tor al Pr ogr am of Higher Educ ation of China(2013450111001)IV目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章绪论.11.1 研究背景.11.2 钢管再生混凝土的研究现状.21.3型钢再生混凝土
16、的研究现状.31.4短梁研究现状.41.5带转换层结构研究现状.61.6 本文研究内容和创新点.81.6.1本文研究内容.81.6.2创新点.81.7 本章小结.9第二章 方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁框架抗震性能试验研究.102.1 试验概况.102.1.1 试件设计.102.1.2 试件的制作.102.1.3 材料的性能.132.1.4测点的布置.142.1.5 试验的加载装置与加载制度.162.2加载试验过程描述.172.3本章小结.22第三章方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁框架抗震试验结果分析.243.1水平荷载一柱顶位移滞回曲线.243.2骨架曲线.263.3承载力及位
17、移.273.4延性及层间位移角.283.5耗能能力.293.6刚度退化.31V3.7强度衰减.323.8累积损伤.333.9梁截面荷载一应变曲线.363.10本章小结.37第四章方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁框架抗震性能有限元分析.384.1概述.384.2有限元模型.384.2.1单元的选取.384.2.2材料的本构关系.384.2.3相互作用和约束的定义.414.2.4施加边界条件和荷载.414.2.5划分网格.424.3有限元模拟结果.434.3.1破坏形态.434.3.2滞回曲线.444.3.3骨架曲线.454.3.4峰值荷载.464.4本章小结.46第五章方钢管再生混凝土柱-
18、型钢再生混凝土短梁框架抗震性能有限元拓展分析.485.1 再生骨料取代率.485.1.1 应力云图.485.1.2 骨架曲线.495.1.3 承载力及位移分析.505.1.4 延性.505.1.5刚度退化.515.2轴压比.515.2.1应力云图.525.2.2骨架曲线.525.2.3承载力及位移分析.535.2.4 延性.54VI5.2.5刚度退化.545.3混凝土强度等级.555.3.1应力云图.555.3.2骨架曲线.555.3.3承载力及位移分析.565.3.4 延性.575.3.5刚度退化.575.4梁柱线刚度比.585.4.1应力云图.585.4.2骨架曲线.585.4.3承载力及
19、位移分析.595.4.4 延性.605.4.5刚度退化.605.5本章小结.61第六章结论和展望.626.1 结论.626.2展望.63参考文献.64致谢.69攻读硕士学位期间发表的学术论文.70VII广西大学硕士学位论文方钢 管 再生混凝土柱一裂钢 再生混凝土短梁框架抗震性能(研究第一章绪论1.1 研究背景近年来我国经济建设快速发展,城市化建设以及旧城区的改造也取得很大成就,但 同时也产生大量的废弃混凝土等建筑垃圾,这些建筑垃圾会对环境造成一定危害;同时 大量的建造使得砂石的需求量也增多,而天然骨料又是不可再生的,因此会造成天然骨 料的紧缺。由此,提出将废弃的混凝土破碎后经过一系列工序处理,
20、在制作混凝土时将 其作为骨料掺入使用得到再生混凝土,这在一定程度上既可以充分利用建筑垃圾又可以 解决天然骨料紧缺问题、节约资源,因此具有广阔应用前景。钢管混凝土是在钢管中填充混凝土形成的一种组合构件口】。钢管和混凝土之间具有 良好的共同工作性能,钢管混凝土构件在工作状态时,外部钢管对内部核心混凝土的围 围箍作用使得内部混凝土处于三轴应力状态,提高了混凝土的抗压强度和塑性性能,这 一特性刚好可以弥补再生混凝土因再生骨料的原始损伤而产生的缺陷;再者核心混凝土 对钢管壁的侧向支撑作用延缓了钢管发生局部屈曲,提高了其稳定性。目前钢管混凝土 结构得到了广泛应用,特别是在高层及超高层建筑、市政及桥梁工程、
21、地下工程、深井 巷道等领域得到飞速发展【2句。我国经济发展迅猛以及城市化进程的推进使得城市中高层建筑以及超高层建筑数 量不断增多。其中带转换结构的在高层建筑中非常常见,尤其是对于上部常作为住宅等 小空间功能、而下部是需要大空间的商场等这种对底部有大空间要求的建筑,这种布置 需要建筑在结构发生变化的楼层设置转换层。在工程应用中转换层的主要结构形式有:梁式、板式、桁架式和空腹桁架式等,其中梁式转换层因其传力明确、施工简单等特 点而在实际过程中应用广泛。转换层上部荷载由转换梁承托,因为上部传来巨大荷载,因此转换梁截面尺寸一般也很大。跨高比在2.05.0之间的转换梁的在工程中应用较多,属于短梁的范畴。
22、短梁与一般梁不同,易发生脆性破坏,而短梁框架在结构中处于关键 位置,承担来自上部的巨大荷载,已有震害表明短梁框架是结构抗震中的薄弱环节,易 发生剪切脆性破坏,延性差,耗能低,因此设计时要保证其具有足够的承载力以及延性。建筑高度越来越高,短梁承受上部荷载越来越大,使用普通钢筋混凝土结构会造成短梁 截面高度更大。而型钢混凝土梁与传统钢筋混凝土梁相比,具有更大的承载力和刚度,能够有效减小梁的截面高度因而降低转换层的高度,提高空间利用率,并且型钢混凝土 结构还具备良好的抗震性能。1广西大学硕士学位论文方钢管 再生混凝土柱一型钢 再生混凝土短梁框架抗震性能研究钢管混凝土结构和型钢混凝土结构已被验证具有良
23、好的抗震性能,因此将两者有机 结合在一起形成方钢管再生混凝土柱-型钢再生混凝土短梁框架,以期其能够获得良好 的承载力和抗震性能。1.2 钢管再生混凝土的研究现状钢管混凝土结构是将混凝土灌入钢管内形成的一种组合结构,这种结构具有承载力 高、塑性和韧性好、抗震性能优越、施工方便等优点,一般常用于柱形构件,其截面形 式有方形、矩形和圆形。钢管混凝土结构的应用较早,最早应用于英国赛文铁路的桥墩(1897年),同年在美国Lally将圆形钢管混凝土结构作为房屋的承重柱国。随后人 们开始对钢管混凝土结构进行大量研究和运用,逐渐应用于房屋、桥墩,进一步发展应 用于高层以及超高层建筑中。而我国对钢管混凝土结构首
24、次应用是在1966年北京地铁 地铁车站工程中网,随后经大量深入研究,钢管混凝土结构被广泛应用高层以及超高层 中也例如台北101等。目前国内外对钢管混凝土结构的研究成熟,都编制了相应的技术 规程,例如 Eur oc de4(BSEN 1998-1,2004)、ACI318-05(2005)、我国的钢管混凝土结 构技术规范、钢管混凝土结构技术规程矩形钢管混凝土结构技术规程等0-川。再生骨料与天然骨料相比具有孔隙率大、密度较小,吸水性强和压碎指标高等特点。再生骨料与水、砂、水泥等混合,配制成再生混凝土,将再生混凝土浇筑到钢管内形成 钢管再生混凝土,与普通的钢管混凝土相比,它不仅继承了钢管混凝土的特点
25、,还弥补 了再生混凝土的原始缺陷,同时再生混凝土的使用还能解决建筑垃圾对环境影响问题。国内外对钢管再生混凝土结构的静力性能和动力性能已经做出了大量的研究,研究结果 表明钢管再生混凝土仍然具有良好的承载能力和延性。早在90年代末国外学者Konn,KU,等就对钢管再生混凝土结构进行了轴压性能的研究,研究结果表明:钢管再生混 凝土构件与钢管普通混凝土构件的轴压性能类似,也具有良好的延性,但是在刚度以及 承载力方面,与钢管普通混凝土构件相比要有所降低。Malathy,R.【等(2009)研究 了不同含钢率、长细比下钢管再生混凝土柱的轴压性能。Mohanr aj,E.等网(2011)考 虑粗骨料取代率、
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- 钢管 再生 混凝土 型钢 框架 抗震 性能 研究
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