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《东南大学》 2006年
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高层钢管混凝土结构体系设计方法及试验研究

孙修礼  
【摘要】: 钢管混凝土结构是充分利用钢和混凝土各自优点组合而成的一种新型结构形式,近年来在高层建筑中得到越来越广泛的应用。作为一种复杂的新型结构形式,其应用中尚有很多问题有待解决:节点连接的刚性判断准则尚未界定;连接刚度对结构整体性能影响的研究有待深入;缺少对钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱框架结构的拟静力试验研究;对结构整体体系的骨架曲线研究还属空白。基于此,采用理论分析和试验研究相结合的方法对上述问题展开了研究。 总结分析了钢梁-钢管混凝土柱、钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱两类结构体系的连接形式,通过新型劲性混凝土环梁节点、钢筋混凝土梁-钢加强环节点和钢梁-钢加强环节点的试验研究,探讨了节点的抗震性能和刚性。 在对钢管混凝土框架受力变形分析的基础上,综合框架正常使用极限状态和承载能力极限状态两种状态,建立了钢管混凝土梁柱连接刚性判别准则。 根据半刚性连接梁柱连接处变形协调而且具有有限转动刚度的特点,使用通用有限元分析程序ANSYS中的弹簧阻尼单元解决了半刚性连接的模拟。 探讨了半刚性连接对钢管混凝土框架结构内力、位移等的影响,导出了半刚性连接钢管混凝土框架结构在竖向荷载下梁端弯矩的求解公式,对水平荷载作用下标准反弯点高比计算公式进行修正;以承受均布荷载的框架剪力墙铰接体系为例,研究半刚性连接对框架剪力墙结构中剪力墙位移系数、剪力墙弯矩系数、剪力墙剪力系数和框架剪力系数等的影响。 建立半刚性连接框架结构的自由振动方程,推导出半刚性连接框架结构基本自振周期的计算公式,得出连接刚度对基本自振周期的影响。将钢管混凝土框架剪力墙结构作为连续弹性无限自由度结构,建立自由振动方程,分析了半刚性连接对结构自振周期和频率的影响,推导出半刚性连接框剪结构自振周期系数的计算公式。使用通用有限元分析软件ANSYS进行半刚性连接钢管混凝土结构的反应谱分析,并研究了半刚性连接钢管混凝土框架结构在选定地震波激励下的响应。 进行了一榀单跨两层钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱框架结构的拟静力试验,对结构的破坏形态、破坏机制、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化、耗能能力等性能进行了较为深入系统的研究。 将钢管混凝土视为统一材料,从截面层次的恢复力模型出发,对钢梁、钢筋混凝土梁和钢管混凝土柱分别选择相应的恢复力模型,研究钢梁-钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱两类框架结构体系的骨架曲线,并使用非线性有限元分析程序IDARC分析了含钢率、轴压比、混凝土强度、钢材强度和半刚性连接等因素对整体结构体系骨架曲线的影响。 最后在综合全部研究成果的基础上,提出了钢管混凝土结构体系的整体设计方法及建议。
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