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低周反复荷载下SRC-RC转换柱基本受力行为与抗震性能研究

伍凯  
【摘要】: 型钢混凝土构件由于配置有型钢,不仅强度、刚度明显增加,而且延性获得很大的提高,从而组成了抗震性能很好的型钢混凝土组合结构。另一方面,型钢混凝土结构由于较高的配钢率造成工程造价相对于钢筋混凝土结构较高,制约了它在一般多层和小高层建筑中的应用,即使是高层和超高层建筑,型钢混凝土结构也主要用在一些经济较为发达的地区,在经济欠发达地区,工程造价是影响一种结构推广应用的重要因素。SRC-RC竖向混合结构在轴力较大的底部数层采用SRC柱、轴力相对较小的上部楼层采用RC柱,这样在避免建筑物底部出现短柱、改善结构抗震性能的同时不会明显增加建筑成本,使SRC结构和RC结构各自发挥其优势,较完全采用SRC结构具有更好的经济效益。 SRC-RC混合框架存在着从型钢混凝土柱到钢筋混凝土柱的转换,楼层承载力和刚度沿竖向均存在突变,容易形成薄弱层。为了综合分析SRC-RC竖向混合框架的抗震性能、寻找合理的竖向转换方式,共进行了7个工况的静力非线性计算。混合结构采用整层过渡方式,这是我国相关规程所要求的转换方式。为了更好的发挥SRC-RC竖向混合框架的抗震性能,应采取必要的措施避免薄弱层的出现,并且对可能出现薄弱层的位置适当加强。保证底部具有一定数量的SRC楼层,其层数与结构总层数的比值根据实际计算确定,但不应小于1/3,使梁铰侧移机制得以实现;适当增加RC部分底层或底部数层的纵筋数量,减小与RC柱邻接的SRC柱的配钢率,借以实现强度和刚度的分级递减,使SRC柱到RC柱的过渡易于实现。 通过21根SRC-RC转换柱试件以及1根钢筋混凝土对比试件的低周反复荷载试验,观察并分析了转换柱试件的受力过程、破坏形态和特点,研究了荷载—位移滞回曲线、抗剪承载力、延性性能、侧移角、耗能能力、强度退化率和刚度等基本受力性能。掌握了转换柱的抗震性能和影响抗震性能的主要因素,为SRC-RC竖向混合结构的更广泛应用提供了科学依据。 SRC-RC转换柱中型钢的延伸长度和配钢方式是决定构件抗震性能的主要因素,也是众多学者普遍关心的问题。以日本学者完成的SRC-RC转换柱抗震性能试验数据为基础给出了型钢的最小延伸长度限值,型钢的最小延伸长度可以保证柱底型钢在受力过程中达到弯曲屈服状态。型钢的最小延伸长度是为了保证型钢能够充分发挥作用的最基本要求,但不能保证SRC-RC转换柱处于最佳的工作状态,因此基于考虑以下四个方面确定了型钢的合理延伸长度:(1)转换柱具有能够保证工程应用的抗震延性;(2)型钢承担的剪力最小;(3)型钢截断位置偏离潜在的塑性铰区域;(4)型钢截断截面弯矩最小。型钢的局部存在是导致转换柱产生类似于钢筋混凝土短柱剪切破坏的根本原因,因此降低型钢的配钢率可以改善转换柱的延性性能和变形能力。通过对试验数据的分析可知,以《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)为依据,按照钢筋混凝土柱进行正常配箍的SRC-RC转换柱配钢率不应超过4%,对于箍筋加密的转换柱构件配钢率不宜大于6%,不得超过8%。 由于SRC-RC转换柱在构造形式上的特殊性,以位移延性系数μ≥3和极限侧移角Ru≥0.02作为确定SRC-RC转换柱的轴压比限值的基本要求。根据转换柱的破坏特点和破坏位置的不同,分别给出了适用于不同破坏方式的轴压比限值。 分析了不同因素对SRC-RC转换柱抗剪承载力的影响。根据不同破坏形态转换柱的抗剪机理,提出了分别适用于粘结破坏、剪切破坏和弯曲破坏的抗剪承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合。为了便于工程应用,提出了等效剪跨比的概念,并以此为基础给出了应用方便并且概念清晰的SRC-RC转换柱抗剪承载能力的计算方法,试验结果与计算结果的对比表明此实用计算方法可以较好的估算转换柱的抗剪承载力。


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