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型钢高强高性能混凝土结构力学性能及抗震设计的研究

邓国专  
【摘要】: 型钢高强高性能混凝土(SRHPC)组合结构是型钢与高强高性能混凝土有机结合的新型结构形式,该结构能满足现代建筑对结构形式越来越高的要求。目前国内外对高强高性能混凝土配筋结构的研究属于起步阶段,本文系统地进行SRHPC材料和结构的试验研究和计算分析,具体研究内容如下: 1.立足于地方材料的选择和常规生产工艺,通过配合比参数的优选,研制了适用于型钢混凝土结构的高强高性能混凝土(HSHPC),对其制备过程和强度指标进行了系统的研究。基于对混凝土拌合物形成过程的细观认识,对减水剂减水机理提出了润滑隔离的解释。根据试验研究和SRHPC结构构件的配箍形式,修正了现有HSHPC本构关系以满足SRHPC组合结构计算分析。 2.完成了32榀试件五类形式的对比试验,系统地研究了型钢与混凝土(HSHPC和普通混凝土)之间的粘结性能;从粘结面的物理构成和力学分析两个方面建立了粘结滑移机理,并给出了粘结力和相对滑移量之间的本构方程;对试件的破坏形态进行了分析,定义了3种破坏形态、建立了相应的判别准则,并且推导了型钢与混凝土之间粘结强度的数学表达式;给出了粘结应力在型钢横断面上的分布规律,提出了构成型钢与混凝土粘结应力三部分之间的转化规律与量值的比例关系;研究了在推拉反复荷载作用下型钢与混凝土粘结性能的退化规律,并且给出了相应的粘结-滑移本构方程。基于现有试验资料,对HSHPC与钢筋粘结性能以及剪切连接件在HSHPC中的受力特性进行了分析。提出了钢筋在HSHPC中锚固长度的计算公式,建立了SRHPC构件设计时最小混凝土保护层厚度、最低配箍率以及极限锚固长度的计算公式。 3.对SRHPC组合结构非线性分析进行了理论解释,解决了SRHPC组合结构在有限元模拟过程中的技术问题;在细观层次上对型钢与混凝土组合材料的连接方式进行了探讨,提出了型钢与混凝土之间的粘结滑移单元,并给出了单元刚度的取值。 4.进行了一榀两跨三层SRHPC框架结构在低周反复荷载作用下的试验研究,基于现行规范,对框架试件和试验方案进行了细致的设计;描述了SRHPC框架结构在循环荷载作用下整体受力特性和梁柱构件的破坏形态;承载力、变形和延性分析得到了SRHPC框架结构具有承载力高和延性好的特点,刚度和耗能能力分析获得了SRHPC框架刚度退化平缓、耗能比系数高的特征,研究结果分析表明了SRHPC框架的抗震性能良好。对SRHPC框架结构试验进行了有限元模拟,计算值和试验结果吻合较好,并且完成了20榀SRHPC框架结构的数值计算,在数值试验中,系统地研究了4个主要设计参数(轴压比、混凝土强度、型钢强度以及含钢量)对SRHPC框架结构整体受力性能的影响规律。 5.基于试验研究,对SRHPC组合材料和结构的受力性能进行了综合评价,提出了相应的抗震设计建议。


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