钢梁-钢筋混凝土柱组合结构研究的进展

近年来,在组合结构中出现一种新型的结构形式,即由钢筋混凝土柱和钢梁(RCS)组成的框架结构。本文较为系统地阐述国际上RCS组合结构抗震性能的研究情况。主要包括RCS梁柱节点的试验研究、RCS组合框架的试验研究和有限元分析、RCS组合结构的抗震设计及性能分析,以及美日“设计指南”的完善与发展。最后指出RCS结构研究存在的问题和今后的研究趋势。     

Parameter study on composite frames consisting of steel beams and reinforced concrete columns

A host of tests and numerical analyses for frames consisting of reinforced concrete columns and steel beams (RCS) have been conducted in the US and Japan over the past decades. Most results have revealed the superior performance of these structures relative to that of traditional concrete and steel frames. However, few studies could be found about composite frame structures consisting of high-strength concrete columns confined by continuous compound spiral ties and steel beams (CCSTRCS), which requires the development of an accurate finite element model of composite CCSTRCS frames. The validity of the proposed model is examined by comparing with the test data presented in reference studies. With the proposed model, an extensive parametric study is carried out to investigate the behavior of composite CCSTRCS frames. Simplified hysteretic lateral load versus lateral displacement models are proposed for such composite frames.     

钢梁和钢筋混凝土组合框架的参数研究

过去几十年里,美国和日本都对钢梁和钢筋混凝土组合框架进行了大量的试验和参数分析。大部分试验结果显示,与传统的钢混组合框架相比较,这种组合框架的性能更优越。然而,少量研究也发现,这种由高强混凝土柱和钢梁组成的框架结构,需要一个更精确的有限元模型来进行分析。与参考文献中提出的试验数据进行对比,从而验证此有限元模型的有效性。运用此有限元模型,文中还对这种钢梁和钢筋混凝土组合框架的性能进行了广泛的参数分析,并提出一个简化的滞回模型。     

基于钢接头的装配式组合框架节点研究

综合分析了传统的柱贯通型和梁贯通型两类钢筋混凝土柱-钢梁组合框架结构(RCS)节点及几种改进型RCS节点的构造特点及试验研究成果,归纳总结了其破坏形态与整体性能。在此基础上,将RCS理念与装配式建筑技术相结合,提出了一种基于钢接头的装配式组合框架结构节点,并进行了与RCS节点性能的有限元分析对比。分析结果表明,该节点表现出较高的承载力及延性变形能力,具有良好的抗侧性能,钢接头能有效保证节点的整体性,具有进一步研究与应用价值。     

Seismic performance of CFST column to steel beam joint with RC slab: Joint model

Based on the previous experimental and numerical investigations presented in Han and Li (2010)and Li and Han (2011), this paper studies the joint model for the composite joint consisted of circular concrete filled steel tubular (CFST) column and steel beam with external diaphragm. The elastic shear stiffness and the shear deformation of the joint panel zone are investigated by parametric study using the finite element analysis (FEA) model. A hysteretic model incorporating the shear stiffness, shear strength, shear deformation and the hysteretic rules is proposed for the panel zone of the composite joint. This hysteretic model is then integrated in a fiber-based joint macro element. The joint macro element is validated by both FEA and experimental results. The overall and the local behavior of CFST joints and frame with macro elements are investigated. The proposed model is featured with a favorable accuracy and amenable modeling method, and could be applied to simulate the seismic behavior of large-scale and complex composite structural systems.     

钢管混凝土柱、钢筋混凝土板、钢梁连接节点的抗震性能:节点模型

基于已有试验和数值计算结果,研究了钢管混凝土柱(CFST)和钢梁的复合节点模型。采用参数研究法利用有限元分析方法(FEA)分析了节点连接处的弹性剪切刚度和剪切变形,给出了复合节点连接处包含弹性剪切刚度、剪切强度、剪切变形和滞后准则的迟滞模型。该迟滞模型用于整合基于纤维的节点宏单元,节点宏单元通过有限元方法和试验结果得到证实。研究了CFST节点和宏单元框架的整体和局部性能。该模型计算精确,建模方法适当,能够用于大尺寸和复杂组合结构的抗震性能分析。     

型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点受力性能非线性分析

在型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点拟静力试验基础上,采用ABAQUS有限元软件建立了组合框架节点的数值计算模型,对该组合框架节点在水平荷载作用下的受力非线性行为进行了有限元分析,获取了组合框架节点的破坏过程、破坏形态、应力云图、荷载-位移曲线及荷载特征值,并对节点的承载力计算值与试验值进行了比较,验证了有限元计算模型的合理性,进而分析了有限元拓展参数对组合框架节点受力性能的影响规律。结果表明:有限元计算结果与试验结果吻合较好,该有限元模型能较好地模拟该组合框架节点在水平荷载作用下的受力性能;另外,提高再生混凝土强度或者箍筋强度对组合框架节点的抗剪承载力是有利的,但节点的延性变形能力有所降低;组合框架节点的抗剪承载力随着型钢强度的提高而显著增加,但节点的变形能力变化不大;增加体积配箍率或型钢配钢率可以明显提高组合框架节点的抗剪承载力和变形能力。     

内埋空间钢构架方形钢管混凝土组合短柱--偏心受压性能有限元分析

为了改善方形钢管混凝土柱的受压性能,在方形钢管混凝土柱中内埋空间钢构架形成空间钢构架-方形钢管混凝土组合柱。这种新型的组合柱具有空间钢构架约束核心混凝土和方形钢管约束空间钢构架外混凝土的双重约束作用,能够有效地改善这种新型组合柱的受压性能和变形能力。为了进一步研究这种新型组合短柱的偏心受压性能,在试验的基础上,本文采用了ABAQUS有限元分析软件,建立了该组合短柱的有限元模型。在验证了模型的准确性后,以方钢管的套箍指标、空间钢构架的约束影响系数、偏心距为参数,对该组合短柱模拟分析。结果表明:方钢管的套箍指标是影响该组合短柱承载力的重要参数。且该组合短柱在大偏心受压时参数的改变对承载力的影响更大。     

考虑楼板组合作用的方钢管混凝土组合框架受力性能有限元分析

为了对组合框架结构的抗震性能进行深入的研究,基于方钢管混凝土组合框架低周往复荷载试验的足尺试件,采用通用有限元软件Msc.Marc建立了壳-实体精细非线性有限元分析模型,考虑了钢材及混凝土的弹塑性性能,混凝土的开裂及受拉软化,钢梁与混凝土楼板交界面的滑移以及钢梁下翼缘断裂等非线性因素,对4榀组合框架及2榀组合节点进行了...     

钢梁-钢筋混凝土柱节点的研究及应用概况

近年来，在组合结构中出现了一种新型的结构形式．即由钢筋混凝土柱和钢梁(RCS)组成的框架结构。工程应用实践表明，梁柱采用两种不同的材料可以发挥材料各自的优点，从选材上具有合理性和经济性。作为主要传力部件的RCS节点是RCS框架研究的关键问题。本较为系统地阐述了RCS节点在国内外的研究及应用情况，并指出了研究中存在的问题。     

钢管混凝土柱-组合梁单边螺栓连接框架耐火性能研究

为明确钢管混凝土柱-组合梁单边螺栓连接框架的耐火性能,采用有限元方法分析了ISO 834 标准升温曲线火灾作用下,圆形钢管混凝土柱-组合梁单边螺栓连接框架的温度场和耐火极限。研究结果表明：提出的简化的HB 螺栓模型可以有效地对圆形钢管混凝土-组合梁框架的耐火性能进行分析。钢管混凝土柱横截面混凝土的网格划分方法对于钢管混凝土柱-组合梁框架的耐火极限影响较小。当节点连接可靠时,钢管混凝土柱-组合梁框架达到耐火极限时的破坏模式主要有柱破坏模式和组合梁破坏模式。     

型钢混凝土组合框架力学性能非线性分析

在充分考虑混凝土损伤、材料非线性及单元类型的基础上,建立了由预应力（非预应力）型钢混凝土梁及角钢混凝土柱构成的型钢混凝土组合框架有限元模型,对其在水平荷载作用下的力学性能进行数值分析及试验对比验证。在此基础上,进一步研究了水平荷载作用下组合框架受力的全过程,并对影响此类框架力学性能的主要因素进行了参数敏感性分析。结果表明:组合框架在梁端和柱底部均出现塑性铰,能实现“强柱弱梁”的破坏机制;随着轴压比增大,水平荷载 位移曲线峰值荷载先增加后减小,峰值荷载对应的位移减小,延性降低;随着长细比增加,结构刚度降低,峰值荷载减小,延性增加。     

RCS组合结构节点受力机理及承载力分析

近年来钢梁-钢筋混凝土柱框架结构(RCS)在美日等国获得广泛研究和应用,为了解这种新型结构节点的受力机理,建立了节点受力模型,详细分析了RCS组合结构节点抵抗剪力的三种传力机构的受力机理与传力方式。指出节点承载力主要是由钢梁腹板及混凝土斜压杆所提供,根据节点受力模型建立承载力公式是可行的,最后根据国外的研究资料,分析比较了业已提出的RCS节点抗剪计算公式。     

Seismic behavior of steel beam and reinforced concrete column connections

This paper aims to investigate the seismic behavior of steel beam to reinforced concrete column connections with or without the floor slab, acting as a proof test for a three-story-three-bay reinforced concrete column and steel beam (RCS) in-plane frame tested at the National Center for Research on Earthquake Engineering (NCREE), Taiwan, by the Taiwan-USA international research cooperation group. In total, six cruciform RCS joint sub-assemblages were constructed and tested. Parameters considered included composite effects of the slab and beam, the tie configuration in the panel zone, effects of the cross-beam, and the loading protocol. Force-deformation behavior was also simulated by a nonlinear analysis program, DRAIN-2DX, with consideration of composite effects of the beam and slab as well as shear distortion in the panel zone. Test results showed that all specimens performed in a ductile manner with plastic hinges formed in the beam ends near the column face. It was found that the ultimate strength of the composite beam was increased by 27% on average, compared with that of the steel beam without the slab.     

Behaviour of embedded steel plate in composite coupling beams

Plate-reinforced composite (PRC) coupling beam is fabricated by embedding a vertical steel plate into a conventional-reinforced concrete coupling beam to enhance its strength and ductility. Shear studs are welded on the steel plate surfaces to allow for proper load transfer between the concrete and steel plate. The present study focuses on the evaluation of internal load distributions and load sharing on the embedded steel plate as well as at the shear studs in composite coupling beams using the nonlinear finite element package ATENA. The proposed two-dimensional finite element model is able to simulate the overall load-deflection behaviour and internal load distributions of coupling beams subjected to bending and shear forces. The reliability of the model is demonstrated by comparisons with the available experimental results. This is followed by an extensive and carefully planned parametric study using the calibrated finite element model. Numerical results on the effects of steel plate geometry, span-depth ratio of beams and steel reinforcement ratios at beam spans and in wall regions are presented and discussed in this paper. The finite element model provides a better understanding of the behaviour of shear studs as well as plate anchorage in the wall regions and embedded beam region. Based on the numerical results, equations for quantifying the shear stud forces are established and a set of non-dimensional design charts for determining the internal forces of the embedded steel plates is constructed. Both of them are useful for engineers to design PRC coupling beams.     

Theory of seismic response analysis of steel-concrete composite structures using fiber beam elements

通过大型通用有限元程序MSC.MARC(2005r2)二次开发将纤维截面模型和基于位移的无滑移分布塑性铰梁单元相结合,得到了一种用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元。该单元在兼顾模型的准确性、通用性以及高效性的同时,具有较优的求解效率、数值稳定性以及前后处理速度。根据工程中常用组合截面的特点提出了组合截面的定义方式及其纤维离散过程,并给出了截面本构关系的求解流程。分析了混凝土、钢材以及钢筋三种材料的单轴本构关系,混凝土材料模型能反映普通、高强以及约束混凝土的不同力学特性,并在已有的考虑单次加卸载强度退化模型的基础上发展了能够考虑多次加卸载强度退化行为的混凝土滞回准则,从而使模型更符合地震作用下组合构件中混凝土材料的实际复杂非线性行为,钢材和钢筋模型能较合理地考虑往复荷载作用下的包兴格效应。     

腹板嵌入式组合梁抗弯性能理论和试验研究

提出了一种新型腹板嵌入式钢-混凝土组合梁,并对该组合梁的整体抗弯性能和抗剪性能进行了研究.首先阐述了腹板嵌入式钢-混凝土组合梁的构成、受力特点和主要优点,然后介绍了该组合梁的抗弯承载力、钢梁与混凝土翼板之间的滑移以及挠度计算公式.通过竖向荷载作用下的静力加载试验对4个腹板嵌入式钢-混凝土组合梁试件的抗弯承载力、滑移影响...     

方钢管混凝土柱-钢梁框架耐火性能分析

研究方钢管混凝土柱-钢梁框架结构的耐火性能。基于有限元方法,分析了GB/T 9978（同ISO-834）加热条件下,带有混凝土楼板的方钢管混凝土柱-钢梁单向螺栓连接框架结构的温度分布、耐火时间和破坏模式,并对有限元模拟结果进行了试验验证,在试验结果基础上采用有限元方法分析了方钢管混凝土柱构件与方钢管混凝土框架柱的耐火极限差异。研究结果表明：与方钢管混凝土框架柱的其他区域相比,方钢管混凝土框架柱节点区的温度相对较低;根据本文建议的框架结构判定准则,当单向螺栓节点连接可靠,随着作用在柱和梁上荷载水平的变化,柱破坏模式和梁破坏模式是方钢管混凝土柱-钢梁框架的主要破坏模式;当框架梁上不施加荷载,只对框架柱起到约束作用,其他条件相同时,方钢管混凝土框架柱的耐火极限大于两端铰接柱构件的耐火极限,但小于一端固接一端铰接支撑柱构件的耐火极限。     

榫卯连接组合框架节点受力性能试验及理论分析

为了探索榫卯节点在钢-混凝土组合结构中应用的可行性,提出了一种钢混组合装配式节点——榫卯连接组合框架节点,设计并制作了2个足尺的榫卯连接节点,对其进行梁端单调静载试验,并采用ABAQUS软件进行有限元模拟分析,探讨了梁内钢筋面积的变化对节点破坏模式、承载能力、刚度、弯矩-转角关系等特征的影响。试验结果表明,该节点具有较好的承载能力和延性,梁内钢筋面积的增加使得节点的刚度、正弯矩区承载力有一定的提高,但对节点负弯矩区承载能力影响不大。节点的破坏模式主要为柱壁鼓曲变形、组合梁翼缘楼板受拉断裂。有限元模拟结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的有效性。最后对该类节点受剪机制进行了分析,结果表明节点核心区受剪承载力主要由钢管、槽钢腹板及核心区混凝土斜压杆组成,并采用叠加方法推导了该类节点核心区的受剪承载力计算式。     

地铁高架车站型钢混凝土组合框架设计方法研究

为提出型钢混凝土构件的承载力计算的计算方法,选取实际工程案例中的一榀型钢混凝土组合框架,按照《建规》(GBJ 68-84)中的极限状态概率设计法进行设计并利用本文提出的容许应力法进行验算,确定最终截面设计。在ABAQUS有限元软件中建立型钢混凝土组合框架三维有限元实体模型,并施加对应设计荷载,进行有限元分析。根据计算结果可知本文提出的容许应力法的截面设计流程具有较好的合理性,可以有效计算型钢混凝土框架中混凝土、钢筋和型钢应力。