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《西安建筑科技大学》 2011年
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混合结构的数值建模理论及在地震工程中的应用

李磊  
【摘要】:混合结构是由两种或两种以上结构体系构成的一种新型结构,它能满足现代建筑对结构形式的要求,因而在我国高层和超高层建筑中得到广泛应用。由于混合结构的物理试验对试验条件要求颇高,许多研究工作难以借助物理模型试验开展,因此有必要研究混合结构的数值建模理论,提高混合结构数值模型试验的准确度,为混合结构在地震工程领域的研究提供有力手段。本文以型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒这一基本的混合结构体系为对象,系统的研究了混合结构的数值建模理论,并以此为基础研究了混合结构的地震损伤过程,具体研究内容如下: 1.以课题组前期完成的SRC框架柱在不同加载制度下的试验结果为基础,分析了构件在反复荷载作用下的滞回特性及性能退化特点。结合现有试验数据,研究了设计参数对骨架曲线的影响,统计回归了骨架曲线的硬化刚度系数与软化刚度系数的计算模型。建立了基于能量的退化指数模型以描述构件性能的退化,在骨架曲线、滞回规则的基础上引入退化规则,最终建立了考虑损伤退化的滞回模型。计算滞回模型与试验滞回模型的对比表明本文所提出的考虑损伤退化的滞回模型能够较好的描述由于材料非线性引起的构件强度和刚度的退化。 2.采用非线性断裂力学的方法,研究钢-混凝土界面的粘结滑移本构关系与剪力传递机理。根据界面自由体受力情况,推导界面的控制方程,通过引入五种简化的粘结应力-相对滑移本构模型,求解了粘结应力、相对滑移沿锚固长度的分布规律,进而获得了不同荷载水平下界面粘结应力的分布规律。根据12榀简支梁试验结果,分析了界面粘结应力的分布规律及各设计参数对其的影响,建立了粘结强度的计算公式。根据试验所得粘结应力与相对滑移的曲线,建立了粘结滑移本构关系,给出了各特征点的计算方法。 3.研究了考虑粘结滑移效应的非线性型钢混凝土梁柱单元的数值建模方法。根据型钢混凝土自由体的受力条件推导单元的控制方程,将截面离散为纤维截面,基于有限单元柔度法的基本原理,推导单元柔度矩阵。通过引入截面残余变形、节点残余变形等参数,在截面、构件、结构三个层级上均依次进行迭代直到满足单元平衡方程和变形协调条件,实现单元状态的确定。借助课题组前期完成的试验结果,对单元的准确性和适用性进行了验证,结果表明本文提出的模型具有较高的计算精度和数值稳定性。 4.研究了型钢混凝土框架-钢筋混凝土剪力墙混合结构楼层在循环荷载作用下的损伤破坏机理。根据本文建立的考虑粘结滑移效应的型钢混凝土非线性梁柱单元,以及现有的多竖杆剪力墙单元,实现了型钢混凝土框架-钢筋混凝土剪力墙混合结构楼层的数值建模,变化参数为框架柱梁的抗弯强度比以及剪力墙连梁的跨高比。根据数值计算结果,对比了各楼层的滞回曲线以及耗能能力,分析了其损伤路径与特征,最终建立了构件破坏与楼层损伤破坏之间的关系。 5.研究了型钢混凝土框架-钢筋混凝土剪力墙混合结构整体结构在地震作用下的损伤破坏机理。根据本文提出的混合结构数值建模方法,建立了整体结构的数值模型,以结构的频率变化为基础计算结构的损伤,进而研究了楼层在轻度损伤、中度损伤以及重度损伤的情况下对整体结构损伤的影响,分析地震动输入参数及结构设计参数对整体结构损伤特征的影响,最终建立了楼层损伤与整体结构损伤之间的关系。
【学位授予单位】:西安建筑科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TU398;TU311.3

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