水平地震下钢-混凝土组合框架结构极限抗震与强柱构造

"强柱弱梁"是当前国际上主流的工程结构抗震设计理念,已有地震灾害调查表明,由于地震作用机制的复杂性以及对工程结构极限抗震认识的不足,强震作用后框架结构除出现梁铰的"强柱弱梁"破坏之外,还出现整体倒塌、柱铰以及局部楼层倒塌的"强梁弱柱"破坏。为合理认识各类破坏形式,首先对传统的塑性铰概念细分为"压铰"和"拉铰",指出"拉铰"容易引发结构整体失稳;随后以钢-混凝土组合框架结构为对象,建立并采用实体单元与壳单元为主的组合框架结构有限元精细化抗震计算模型,开展组合结构极限抗震分析,初步探讨各水平地震波工况对组合框架结构位移、应力、轴压比等时程响应以及框架梁柱塑性耗能分配机制、塑性铰形成模式与失效机制的影响规律。分析结果显示:1)柱端拉筋减小了钢管与混凝土之间滑移,从而增大了柱和框架的刚度,降低了钢管和混凝土的应变水平,增大了钢梁的应力水平; 620 cm/s2及以上强度的地震波作用时,柱端拉筋构造可显著减小组合框架结构的最大层间位移角,在接近极限强度的水平地震波作用时,柱端拉筋屈服,框架梁端混凝土板纵筋一般不易屈服; 2)"强梁弱柱"组合框架表现为"约束梁"与"耗能柱",此时框架梁对框架柱约束较强,框架以框架柱耗能为主而梁端仅形成"压铰",此时框架的耗能能力取决于框架柱;"强柱弱梁"组合框架表现为"耗能梁"与"承载柱",此时框架梁对框架柱约束较弱,框架以框架梁耗能为主使得梁端先形成"压铰",当梁端耗能至极限时形成"拉铰"引发框架柱长细比增大,导致框架加速失效,不利于发挥框架柱耗能潜力; 3)柱端拉筋技术的"强柱"构造将提高组合结构的刚度、塑性耗能与抗倒塌能力,强柱构造对以柱耗能为主的6层框架抗震能力提升尤其显著。     

变轴力钢管混凝土柱抗震性能试验研究

为了研究地震作用下轴力变化对圆截面钢管混凝土框架柱抗震性能的影响,采用子结构拟动力试验方法进行了4个水准地震作用下的框架结构拟动力试验。试验程序利用有限元程序OpenSees进行数值计算,并与拟动力试验控制系统实现数据实时交互传递。建立了一个4层钢管混凝土框架模型,将首层钢管混凝土柱作为试验子结构进行变轴力作用下钢管混凝土柱抗震性能试验。分析轴力变化对钢管混凝土柱滞回特性、耗能能力、塑性变形等性能的影响,并对比研究地震作用对边柱与角柱的影响。试验结果表明:地震作用下框架柱的轴力会发生较大变化;轴力变化导致钢管混凝土框架柱滞回曲线"捏缩效应"更加明显,塑性铰区域塑性变形累积增长较快、局部屈曲提前出现;与定轴力作用相比,变轴力下框架柱耗能能力受到削弱,抗震性能降低。     

Seismic behavior of L-shaped concrete-filled steel tubular columns with reinforcement stiffeners

制作了1根对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱试件和2根非加劲L形截面钢管混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,考察对拉钢筋和轴压比对其抗震性能的影响规律。结合OpenSees有限元分析,研究其破坏模式和滞回性能,分析对拉钢筋的作用以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明：对拉钢筋能有效限制钢板的局部屈曲以及阴角处钢管和混凝土的脱离,保证钢管和混凝土共同工作;轴压比从0.3增加到0.6时,非加劲L形截面钢管混凝土柱的耗能能力及延性均降低;相同轴压比下,相比非加劲L形截面钢管混凝土柱,对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱的破坏程度明显减轻,耗能能力及延性明显提高;有限元分析结果基本能反映试件在低周往复水平荷载作用下的抗震性能。     

方钢管约束型钢混凝土柱-RC环梁节点抗震性能

为研究方钢管约束型钢混凝土柱-RC环梁节点的抗震性能,利用有限元分析软件ABAQUS建立了该节点的有限元模型。通过对已有试验中的圆钢管约束型钢混凝土柱-RC环梁节点抗震性能的模拟分析,验证了有限元计算结果的正确性,进而对方钢管约束型钢混凝土柱-RC环梁节点的受力性能进行了数值模拟分析,研究了该节点在低周循环荷载作用下的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线及节点延性;同时考察了柱内型钢含钢率、柱轴压比和环梁配筋率对节点抗震性能的影响。结果表明:方钢管约束型钢混凝土柱-RC环梁节点的滞回曲线饱满,具有良好的抗震性能;在节点核心区设置环梁后,节点试件的最终破坏模式为梁端形成塑性铰破坏,环梁对节点核心区保护作用明显,满足"强柱弱梁"及"强节点、弱构件"的抗震设计原则;随着柱内型钢含钢率及环梁配筋率的降低,节点试件的最大荷载、延性系数和抗震性能均有所降低,且强度退化加快;轴压比对节点抗震性能影响较大,当轴压比从0.31增加至0.63时,节点试件的延性系数从4.14降低至2.12,最大荷载降幅高达15.16%。     

对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱抗震性能研究

制作了1根对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱试件和2根非加劲L形截面钢管混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,考察对拉钢筋和轴压比对其抗震性能的影响规律。结合Open Sees有限元分析,研究其破坏模式和滞回性能,分析对拉钢筋的作用以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明:对拉钢筋能有效限制钢板的局部屈曲以及阴角处钢管和混凝土的脱离,保证钢管和混凝土共同工作;轴压比从0.3增加到0.6时,非加劲L形截面钢管混凝土柱的耗能能力及延性均降低;相同轴压比下,相比非加劲L形截面钢管混凝土柱,对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱的破坏程度明显减轻,耗能能力及延性明显提高;有限元分析结果基本能反映试件在低周往复水平荷载作用下的抗震性能。     

地震作用下框架结构连续倒塌模拟比较研究

基于ABAQUS对采用不同钢筋和混凝土单轴本构模型的钢筋混凝土框架结构在大震作用下的连续倒塌数值模拟进行了比较研究。采用纤维梁单元模拟框架梁和柱,壳单元模拟钢筋混凝土楼板。分别编制了两种可用于模拟纤维梁单元失效的混凝土和钢筋单轴本构的用户子程序,考虑了钢筋混凝土楼板的刚度削弱、单元失效与接触。对某钢筋混凝土框架结构采用4组不同本构关系的计算结果进行了详细比较,结果表明不同材料模型得到的倒塌初始状态及初步发展趋势是一致的。     

带楼板的外加强环式方钢管混凝土柱节点非线性数值模拟

为研究带楼板的外加强环式方钢管混凝土柱(CFSST)节点的弹塑性力学性能,以方钢管混凝土柱节点试验尺寸为参照,在总结相关文献试验结果的基础上,选取钢材和混凝土的本构关系模型,定义混凝土损伤塑性因子,以及混凝土压缩复原和拉伸恢复系数,对外加强环式方钢管混凝土柱节点进行单向加载及循环往复加载下的全过程力学分析,绘制荷载-位移曲线;同时对外加强环式节点进行参数分析,研究宽厚比、轴压比、混凝土楼板高度及核心混凝土强度对节点受力性能的影响。研究结果表明:相比混凝土楼板高度和核心混凝土强度,轴压比、宽厚比对此类节点的受力性能影响较大。     

钢管约束钢筋混凝土转换短柱抗震性能试验研究

钢管约束钢筋混凝土短柱具有优越的延性和弹塑性层间变形能力,因此在转换柱中应用时可显著提高转换结构的整体抗震性能。对大连中国石油大厦外筒的钢管约束钢筋混凝土转换短柱进行了抗震性能模型试验,模型比例为1∶6。试验中的主要参数为轴压比、剪跨比和对拉钢筋设置。试验结果表明,钢管约束混凝土短柱中,钢管对核心混凝土的有效约束限制了核心混凝土剪切破坏的产生,改变了钢筋混凝土短柱在水平地震作用下的剪切脆性破坏模式。在抗震工程中采用钢管约束钢筋混凝土柱可有效提高钢筋混凝土框架短柱的延性、弹塑性层间变形能力和耗能性能,从而显著提高结构的整体抗震性能。     

基于ABAQUS的区域约束混凝土柱在往复荷载作用下的性能研究

前期的一些研究表明，区域约束混凝土柱当轴压比超过某一数值时，会表现出与普通约束混凝土明显不同的性能，其承载力、耗能能力会随着轴压比的增加而提高。本文利用ABAQUS有限元软件，采用混凝土损伤塑性模型，对往复荷载作用下的区域约束混凝土柱进行模拟分析，探索轴压比对区域约束混凝土柱抗震性能的影响。     

方钢管高强混凝土短柱有限元分析

文章基于冷弯型方钢管高强混凝土短柱试件的轴心受压试验,采用ABAQUS通用有限元分析软件对试件的轴压工况进行数值计算。采用合理的材料本构方程、建模与网格划分方法,使有限元计算结果与试验结果吻合较好。分析了在荷载-应变典型曲线特征点时轴压短柱试件的核心混凝土横截面轴向应力分布和试件在各阶段的受力性能。得到如下结论:钢管的冷弯区域决定了核心混凝土横截面轴向应变的分布;轴压短柱达到极限承载力时,核心混凝土由于方钢管的约束作用,其抗压强度得到明显提高;文章采用的有限元模型在分析冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱时是可行的。     

型钢混凝土L形柱-混凝土梁框架节点滞回性能试验研究

为研究型钢混凝土L形柱-混凝土梁框架节点的滞回性能,以柱截面配钢形式、轴压比、水平加载角度及 有无楼板参与工作为变化参数,进行4个平面和7个空间L形柱-混凝土梁框架节点的拟静力试验;比较分析试件的 破坏形态、滞回曲线、承载能力、刚度退化、耗能能力、位移延性以及层间位移角等抗震性能指标。研究结果表 明：平面节点和空间节点的破坏形态分别为核心区发生剪切破坏和梁端出现塑性铰,带楼板工作的钢筋混凝土梁 柱空间节点出现板的弯曲破坏以及梁底出现塑性铰的破坏模式;配实腹式型钢试件的滞回曲线比配空腹式型钢试 件的饱满;平面节点的承载能力比空间节点的大,但耗能能力、位移延性及抗倒塌能力均不及空间节点;楼板的 存在对节点承载能力的提高和维持刚度的稳定均具有有利作用;轴压比可提高节点的承载力和初始刚度;L形柱 框架节点的层间变形能力大于规范规定的层间位移角限值。通过引入加载角度,提出了型钢混凝土L形柱-梁空间 节点受剪承载力计算模型,其能较好地反映节点核心发生剪切破坏的传力机制。     

大连市体育馆钢管约束钢筋混凝土短柱设计

钢管约束钢筋混凝土柱就是在普通钢筋混凝土柱外设置薄壁钢管,钢管在梁柱节点区断开,不直接承担纵向荷载,只对核心混凝土起约束作用。由于钢管不通过梁柱节点区,因此钢管约束钢筋混凝土柱与钢筋混凝土梁连接方便;且钢管约束钢筋混凝土柱承载力高,抗震性能优越,是一种具有广泛应用前途的新型组合结构形式。钢管约束钢筋混凝土柱在大连市体育馆工程中的应用,解决了钢筋混凝土超短柱抗震性能差的问题;且钢管约束钢筋混凝土柱的用钢量低,施工方便,经济效益和综合效益显著。     

双钢管混凝土柱与钢筋混凝土间环梁节点抗震性能研究

介绍了新型节点——在双钢管混凝土柱(CFTSTs)与钢筋混凝土梁(RC)之间使用间断套管的环梁节点。由于该节点处外钢管被打断,因此RC梁中纵向钢筋在连接区域能够连续。依靠连续钢筋传递弯矩和剪力;连接区内箍筋起到了限制作用,柱外侧的八角形环梁使受压区得到改善,补偿了外钢管不连续所引起组合柱刚度的减小。在循环荷载下对4个梁-柱组合试样进行试验,研究节点的抗震性能,包括:加载变形性能、典型破坏模式、应力应变分布、能量耗散能力。试验结果显示,节点的抗震性能较好,能够达到抗震设计准则中"强柱弱梁"和"强节点弱构件"的要求。采用有限元模型对相关参数进行分析。     

Shake table tests of steel embedded composite columns under moderate near-fault motion

Shaking table tests were conducted on steel-embedded composite columns with core structural steel on near fault ground motion (NFGM) to investigate their seismic behavior. Four composite columns and one reinforced concrete (RC) column with diameters of 400 mm and heights of 1400 mm were tested on a shake table, and one specimen was studied with a pseudodynamic test. A sliding steel frame, called the inertial force rig, was designed and implemented to completely support the inertial mass of the column and the shaking table system. The composite column with a higher steel ratio required more volumetric confinement steel in the plastic hinge region. For the steel embedded composite columns with an axial steel ratio of less than 2%, The same amount of confining steel as in the normal reinforced concrete columns was sufficient to obtain the required ductility for the composite columns with low steel ratio. Composite columns with an embedded steel tube at the center showed better displacement ductility than RC columns with similar steel ratios, but showed smaller energy absorption capacity. The effect of the lap splice in a composite column was not significant because the spliced reinforcing bars had a lower area than RC columns with a 50% lap splice. The shake table test specimen showed much less ductility than the pseudo-dynamic test specimen and more energy dissipation capability, while the maximum capacity of the composite column was the same for the different test methods.     

钢管钢筋混凝土柱的轴心抗压性能研究

从以前关于钢管钢筋混凝土柱的研究可以明确看出,钢管钢筋混凝土柱优于钢管混凝土柱。这主要是因为钢管和钢筋共同施加侧压于混凝土芯,从而改善了混凝土芯的性能。为了弄清混凝土芯约束性能的影响,并提出一个关于钢管钢筋混凝土柱轴心抗压强度的评估方程,使用参数研究法将数值结果与试验结果相匹配,从而对钢管钢筋混凝土柱进行数值分析。根据分析结果,对钢管钢筋混凝土中混凝土约束性能和钢管应力状态进行讨论。最后,提出一个和钢管钢筋混凝土柱荷载分担比例有关的﹑非常规的﹑评估约束性能的方程,并通过试验数据验证了钢管钢筋混凝土柱轴心抗压强度的评估方程。     

楼板对RC空间框架结构抗连续倒塌性能影响试验研究

为研究楼板对RC空间框架结构抗连续倒塌性能的影响作用,文章以汶川地震中完全倒塌的漩口中学教学楼为原型结构,设计3个单层2×2跨1/3缩尺模型,包括2个带楼板子结构和1个纯框架子结构,通过拟静力加载试验研究RC框架结构在拆除中柱状态下的连续倒塌破坏过程。试验结果表明：纯框架子结构首先进入梁机制阶段,框架梁内产生轴向压力,产生“压拱效应”,在梁端部截面抗弯承载力丧失后,进入悬链线机制阶段,依靠梁内部钢筋拉结力抵抗上部荷载。对比分析带楼板子结构与纯框架子结构试验结果,由于楼板的“薄膜效应”使梁机制峰值承载力提高了145%,悬链线机制峰值承载力提高了75%,楼板显著提高了梁机制和悬链线机制的抗连续倒塌能力。增加板厚增加梁板的“压拱效应”,极大提高梁机制承载力,然而大变形下梁板开始不协同作用,板发生冲切破坏,降低了悬链线阶段承载力和延性。     

楼板对钢筋混凝土柱-钢梁空间组合体抗震性能影响研究

楼板在地震作用下对钢筋混凝土柱-钢梁组合体抗震性能的影响是建立地震作用下节点计算模型的基础,也是准确评价组合结构体系抗震性能的关键问题之一。为此,完成了3个钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)空间组合体试件在考虑不同楼板宽度情况下的抗震性能试验,分析整个受力过程中楼板受力性态对组合构件受力特征、破坏模式等抗震性能的影响。各试验模型在加载过程中均产生梁铰破坏,并表现出较好的延性和耗能能力,最终因节点区钢梁屈曲、扁钢箍开裂和柱端混凝土压碎而丧失承载力。分析表明,楼板裂缝以横向裂缝为主,随着楼板宽度增加,次生斜裂缝增多,板底混凝土压碎区域增大;混凝土楼板与钢梁组合体对节点核心区的约束作用较明显地改善了空间组合体受力性能。对楼板混凝土和板内纵筋在受力过程中的应变进行分析,结果表明,随着楼板宽度的增加,楼板对RCS空间组合体刚度、承载力的贡献值有限。对现浇板受拉有效翼缘宽度进行分析,结果表明考虑钢-混凝土组合梁翼缘有效宽度对梁端受弯承载力、惯性矩影响较大。     

钢管约束钢筋混凝土压弯构件滞回性能试验研究与分析

进行了4个圆钢管约束钢筋混凝土(CTRC)和4个方钢管约束钢筋混凝土(STRC)压弯构件滞回性能的试验研究,并进行了两个钢筋混凝土(RC)对比试件的试验研究。试验中的主要参数为轴压比(0.34、0.65和0.80)和混凝土强度等级(C30和C60)。试验结果表明,由于钢管对核心混凝土的有效约束,核心高强混凝土柱的承载力、延性和耗能能力得到了显著提高。随轴压比和混凝土强度的提高,CTRC压弯构件的受弯承载力提高;但轴压比和混凝土强度对试件的延性无明显影响。随轴压比和混凝土强度的提高,STRC压弯构件的受弯承载力提高,但延性下降。相同轴压比条件下,CTRC压弯构件的受弯承载力和延性明显优于STRC构件。根据试验结果,建议了钢管约束钢筋混凝土柱截面受弯承载力的计算方法。建立了钢管约束钢筋混凝土压弯构件的纤维模型数值计算方法,计算中采用随荷载的增加而不断增大钢管对核心混凝土的约束效应的方法,数值计算结果与试验结果吻合良好。     

环梁连接的RC梁-钢管混凝土柱框架试验研究

介绍了一个采用钢筋混凝土 (RC)环梁连接的 2层 2跨RC梁 -钢管混凝土 (STCC)柱框架的拟动力试验和静力试验。为了研究环梁在地震作用下的破坏形态 ,大部分节点设计成“弱环梁、强框架梁” ,即环梁屈服先于框架梁 ;少量节点设计成“强环梁、弱框架梁” ,即框架梁屈服先于环梁。试验表明 :小震时 ,框架的刚度降低很少 ;中震时 ,刚度降低约 3 0 % ;大震时 ,层间位移角小于 1 10 0 ;即使弱环梁已经破坏、层间位移角达 1 3 4,框架的承载力仍未下降 ;能够实现“强柱弱梁”和实现塑性铰形成于框架梁端的“强连接、弱构件”的抗震设计概念。RC环梁与STCC柱之间局部范围的缝隙不影响框架的整体抗震性能 ;环梁与柱之间几乎无相对竖向滑移。采用RC环梁连接的RC梁 -STCC柱框架具有良好的抗震性能。     

CFST柱-RC梁钢筋环绕式节点抗震性能试验

通过8个钢管混凝土(CFST)柱-钢筋混凝土(RC)梁钢筋环绕式节点在低周往复荷载作用下的试验,对其在不同轴压比下的开裂破坏模态、滞回特征、剪切变形、钢筋和钢牛腿变形、延性和耗能性能等进行系统研究。试验结果表明,试验节点的破坏模态均为核心区剪切破坏,圆钢管混凝土柱节点较方钢管混凝土柱节点的滞回曲线饱满,但均能满足现行规范的抗震设计要求。