钢管约束钢筋混凝土框架结构抗震性能研究

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钢管约束混凝土柱的约束效应强,具有承载力高、抗震性能好、耐火极限高、可充分利用高强材料、节约模板和施工方便等优点,在大跨、重载、超高层以及桥跨结构中都有较好的工程应用前景。目前,针对钢管约束钢筋混凝土结构的研究主要集中于构件和节点,但对于结构体系层面的研究相对较少。本文采用实验测试与有限元分析,研究钢管约束钢筋混凝土平面框架的抗震性能,主要研究工作和成果如下:(1)以柱梁强度比为控制参数,完成两榀两层两跨圆钢管约束钢筋混凝土平面框架的拟静力滞回试验,一榀框架满足规范中“强柱弱梁”柱梁强度比限值要求,另一榀则突破该限值。通过试验,得到了试件的荷载-水平位移滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、钢筋应力-位移曲线、钢管应力-位移曲线等,探究不同破坏模式下框架的变形机制、耗能性能、刚度退化机理和破坏机理。框架拟静力试验结果表明,满足和突破“强柱弱梁”限值要求的框架分别出现了典型的梁铰和柱铰破坏机制;不同破坏机制下的两榀框架对应荷载-位移曲线特征、变形模式、破坏机理均存在较大差异。(2)采用ABAQUS建立钢管约束钢筋混凝土框架精细化实体有限元模型,得到有限元单调加载下得荷载-位移曲线,与试验结果进行对比,验证模型的有效性。基于该模型,开展试验框架的单向推覆全过程受力分析,明确框架各组成部分的应力发展过程,揭示结构弹塑性变形机制与受力机理;分析设置楼板、节点核心区转动、柱顶竖向变形等对钢管约束钢筋混凝土框架抗震性能的影响规律。(3)采用OPENSEES建立圆钢管约束钢筋混凝土框架纤维数值模型,通过试验测得的荷载-位移滞回曲线、耗能曲线和变形模式,验证模型的正确性。基于纤维数值模型,对框架结构滞回性能进行参数分析,包括径厚比、轴压比、长径比、混凝土强度、钢管屈服强度、梁柱线刚度比与柱梁强度比等,明确各参数对钢管约束钢筋混凝土框架抗震性能的影响规律。(4)对钢管约束钢筋混凝土框架结构体系的抗震性能进行研究,设计了8度(0.20g)抗震设防水准下钢管约束钢筋混凝土框架算例,通过OPENSEES纤维数值模型进行静力弹塑性分析,探索结构模型的楼层位移、层间位移角、塑性铰发展规律,明确结构在多遇、设防、罕遇地震作用下的抗震能力。
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