实腹式型钢混凝土十形与L形截面柱抗震性能试验及有限元分析

采用"建研式"加载装置对实腹式型钢混凝土十形、L形截面柱各3个试件进行了低周反复加载试验。考虑了配钢率和轴压比的影响,观察了试件的受力过程,分析了破坏形态及荷载-位移滞回曲线和骨架曲线、延性、承载力、刚度、耗能能力等抗震性能指标。基于此,采用ABAQUS并调用纤维模型子程序PQ-Fiber对试验进行有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,进而对实腹式型钢混凝土十形和L形截面柱在不同加载角度下的受力性能和轴压比限值进行了分析。结果表明:剪跨比为2.5的实腹式型钢混凝土十形和L形截面柱均呈弯曲型破坏;试件的滞回曲线对称、饱满,延性好,承载力稳定,耗能能力强;十形截面柱沿45°加载时延性最差,沿0°加载时承载力最低; L形截面柱沿45°加载时延性最差,承载力最低。型钢混凝土十形截面柱和L形截面柱二级抗震等级对应的轴压比限值建议分别取0.65和0.45,一级和三级抗震等级时分别减小和增加0.1。

钢管高强混凝土剪力墙抗震性能试验研究

钢管高强混凝土剪力墙是在钢筋混凝土剪力墙中嵌入钢管高强混凝土形成的一种组合剪力墙。为研究其抗震性能,设计制作了两批共10个剪跨比为2.44的钢管高强混凝土剪力墙试件并进行拟静力试验,对比分析各试件的承载力、延性、刚度及其退化过程、破坏形态、滞回特性及耗能能力。试验结果表明:钢管高强混凝土剪力墙试件初始刚度大、承载能力高,破坏过程中承载力和刚度退化较慢、延性好,低周反复荷载作用下的滞回曲线饱满,具有良好的抗震性能;即使在高轴压比下(设计轴压比为0.7),试件仍具有良好的延性与耗能能力。钢管高强混凝土剪力墙能有效解决高强混凝土应用于剪力墙中的脆性问题。

型钢混凝土T形截面构件抗震性能试验研究

通过15个型钢混凝土T形截面构件的低周反复荷载试验,研究了型钢混凝土异形柱和型钢混凝土短肢剪力墙的抗震破损机理及其性能差异,分析了配钢形式、加载方向、剪跨比、肢截面高厚比、轴压比和配箍率等参数对其抗震性能的影响,基于经典四叶状花瓣理论,提出了型钢混凝土T形截面构件双向受剪承载力预测模型。研究结果表明：剪跨比小或配空腹型钢的构件易出现剪切型破坏,而剪跨比大或配实腹式钢构件易出现弯曲型破坏,型钢外围无钢筋笼骨架的易出现黏结破坏;配实腹式钢的T形截面柱在承载能力、刚度退化、位移延性、层间位移角以及耗能能力上均优于配空腹式钢的T形截面柱,沿45°方向加载有利于两柱肢材料力学性能的发挥;肢截面高厚比的增加有利于提高构件的承载力,但降低其位移延性和耗能能力;轴压比在提高型钢混凝土T形截面构件受剪承载力的同时降低了变形能力,而增加配箍率可同时增加型钢混凝土T形截面构件的受剪承载力和变形性能。

型钢混凝土异形柱空间框架结构模型振动台试验研究

采用三维6自由度模拟地震振动台对1∶4缩尺的型钢混凝土异形柱空间框架结构模型进行了三种地震波输入试验。通过白噪声扫描得到了该模型结构的自振频率、振型、阻尼比等动力特性,研究了模型的破坏特征、加速度、位移反应、楼层剪力和应变反应。试验结果表明:随着地震峰值加速度的增加,框架模型的自振频率下降,阻尼比增大,加速度放大系数逐渐减小,结构振动以第1阶振型为主;在罕遇地震作用下,层间侧向刚度退化较快,结构整体侧向位移曲线呈S形,楼层剪力沿楼层高度方向呈递减趋势;在弹塑性工作阶段,第1层边框架角柱和边柱平行于主振方向一侧的型钢翼缘首先屈服,第3层边框架梁端随后出现塑性铰。由应变分析可知,边框架角柱及其梁端为抗震薄弱区域;型钢混凝土异形柱框架结构抗震性能良好,弹塑性工作阶段后期,模型结构耗能显著提高。

焊接栓钉型钢混凝土柱压-弯-剪-扭滞回性能试验研究

为了研究压-弯-剪-扭复合受力焊接栓钉型钢混凝土柱的滞回性能,通过研发的试验装置,对设计的9个试件进行恒定轴压力下低周反复弯-剪-扭的加载试验,考虑了栓钉位置、栓钉间距和栓钉长度等3个变化参数。通过试验观察了试件的受力破坏过程及形态,获取其弯矩-位移和扭矩-扭率滞回曲线,并分析了试件破坏形态、滞回曲线、刚度退化、能量耗散、延性等抗震性能指标。结果表明:恒定轴压力反复弯-剪-扭作用下,型钢混凝土试件表现为以弯曲破坏为主、伴随扭转斜裂缝的弯扭型破坏形态;弯矩-位移滞回曲线呈梭形,滞回环饱满,而扭矩-扭转角滞回曲线则呈反S或Z形,滞回曲线不饱满;扭矩作用下,型钢混凝土柱的延性变差;通过焊接栓钉可提高其延性,栓钉间距越小延性越好,当型钢翼缘和腹板交错焊接栓钉时,更有利于提高构件的抗震性能。

分散型钢混凝土组合柱抗震性能试验研究

为研究分散型钢混凝土组合柱(ISRCC)的抗震性能,分析组合柱中分散布置的型钢和混凝土之间的协同工作情况,对4个ISRCC柱进行偏心率为10%和15%的低周往复加载试验。与传统低周往复加载试验相比,试验中按预定路径同时施加竖向荷载和水平荷载。分析了ISRCC柱在低周往复荷载作用下的承载力、延性、破坏形态、裂缝分布和刚度退化等。试验结果表明:所有ISRCC柱均为小偏心压弯破坏,试件整体性较好;在偏心率15%以内,屈服荷载前各试件满足平截面假定,能够有效发挥型钢和混凝土的组合作用;ISRCC柱压弯承载力的试验值与ACI 318-2014、EN 1994-1-1和YB 9082—2006《钢骨混凝土结构技术规程》等规范中的承载力计算结果吻合较好,验证了现有规范中普通钢骨混凝土(SRC)柱压弯承载力的计算方法对偏心率15%以内的ISRCC柱的适用性;试件的极限位移角为1/88~1/65,满足我国规范对罕遇地震作用下框架-核心筒结构弹塑性层间位移角的要求,具有较好的变形能力。

型钢混凝土斜梁-柱边节点抗震性能试验研究

为研究大容量机组核电厂主厂房中由于框架梁两端不等高而形成的型钢混凝土斜梁-柱边节点,按1/4缩尺设计3个不同倾斜角度的斜梁节点并对其进行拟静力试验,研究该类节点的受力特点、破坏模式、滞回性能、耗能能力以及承载力和刚度退化等。结果表明：3个节点试件均发生梁端塑性破坏,满足设计要求;型钢混凝土斜梁-柱节点的破坏过程与直交梁-柱节点类似,梁发生倾斜使节点核心区由矩形变为平行四边形,节点区内力传递更为复杂,随着梁倾斜角度的增大,梁端裂缝开展逐渐加宽,承载力逐渐下降,耗能也逐渐减少,但核心区剪切变形变化不明显,建议节点斜梁倾斜角度不大于10°。

双向加载路径下型钢-混凝土组合柱抗震性能试验研究

通过8根型钢-混凝土组合柱在低周往复荷载作用下的加载试验,研究配钢形式、加载路径对该类组合柱破坏过程、滞回性能、刚度退化、延性性能及累积耗能的影响,分析纵筋及型钢的应变发展。结果表明：在相同含钢率下,配置方钢管的型钢混凝土柱的变形能力比十字形截面型钢的型钢混凝土柱的大,破坏位移角增大了约24%;加载路径对组合柱滞回特性影响显著,在非对称路径加载下,滞回特性亦表现出明显的非对称性;与单向循环加载组合柱相比,双向循环加载组合柱的峰值荷载小、刚度退化快、屈服位移小、延性差、破坏位移角小,但其累积滞回耗能明显大于单向循环加载时的情况;纵筋屈服发生在峰值荷载前,而型钢一般在达到峰值荷载时才屈服;在位移加载后期,双向循环加载组合柱纵筋及型钢应变增长明显较单向加载组合柱的快。因此,双向加载路径对型钢-混凝土组合柱承载能力、变形性能及累积耗能等抗震性能的影响显著,在设计时应予以考虑。

型钢-钢纤维混凝土组合结构的黏结破坏及传力机理研究

为了解决型钢混凝土组合结构的施工难题,利用离散的钢纤维代替传统钢筋笼,提出了型钢-钢纤维混凝土组合结构。以截面类型、钢纤维掺量、界面锚固长度和钢纤维混凝土保护层厚度为设计参数,进行了36个型钢-钢纤维混凝土试件的标准推出试验,研究了试件的受力性能,对破坏形态进行了统计归类,完成了损伤破坏全过程分析。试验结果表明:自由端与加载端的荷载-滑移关系并不同步,自由端先于加载端达到屈服;黏结劈裂裂缝首先出现在保护层厚度最小的钢纤维混凝土表面,然后由外向内发展,而黏结裂缝以型钢翼缘肢尖处为起点,沿45°斜向由内向外发展,直至达到钢纤维混凝土外表面;试件的破坏形态可分为黏结劈裂破坏、黏结锚固破坏、过渡破坏和型钢屈服破坏4种类型;型钢与钢纤维混凝土之间的黏结作用主要依靠化学胶结力、摩擦力和机械咬合力,推出试验的黏结滑移全过程可精细化地分为5个阶段和5个极限状态。

空腹式型钢混凝土L形柱压弯剪扭抗震性能试验研究

为研究空腹式型钢混凝土L形柱压弯剪扭滞回性能,以扭弯比、肢高肢厚比为变化参数,设计6个试件进行恒定轴压下的低周反复弯-剪-扭加载试验。通过试验观察了试件的受力破坏过程,获取了试件的扭矩-扭转角、弯矩-位移滞回曲线,分析了试件的破坏形态、承载能力、刚度退化、延性及耗能能力等抗震性能指标。结果表明:随着扭弯比的增大,L形柱的破坏形态表现为弯曲破坏、弯剪破坏及弯扭破坏;L形柱的扭矩-扭转角滞回曲线中部捏拢,形成滑移平台,峰值荷载后有明显的荷载"跌落"现象;弯矩-位移滞回曲线相对饱满,L形柱的受弯性能优于受扭性能。压弯剪扭复合作用下空腹式型钢混凝土L形柱的位移延性系数小于3,不能满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求。

型钢自密实混凝土叠合剪力墙恢复力模型

为了研究型钢自密实混凝土叠合剪力墙的抗震性能以及恢复力特性,对1个全现浇型钢普通混凝土剪力墙试件和5个型钢自密实混凝土叠合剪力墙试件进行了低周反复加载试验。通过分析试验所得的剪力墙的水平荷载-位移骨架曲线,建议将其简化为以屈服点、峰值荷载点、极限点为特征点的三折线模型,并根据试验现象以及理论分析结果给出骨架曲线中各特征点参数的计算方法。对试验所得滞回曲线进行回归分析,得到了墙体的抗侧刚度退化规律,据此得出适用于型钢自密实混凝土叠合剪力墙的恢复力模型,并用试验得到的骨架曲线与滞回曲线进行验证。结果表明,由此恢复力模型求得的计算曲线与试验曲线吻合程度较好,该模型可以较好地反映型钢自密实混凝土叠合剪力墙的恢复力特性,可用于计算地震作用下以受弯破坏为主的型钢自密实混凝土叠合剪力墙的荷载-位移滞回曲线。

单调与反复竖向荷载作用下无黏结预应力型钢混凝土框架受力性能试验研究

对两榀无黏结预应力型钢混凝土(PSRC)框架进行了试验研究,分别施加单调与反复竖向荷载,分析并比较不同竖向荷载形式下无黏结PSRC框架的受力特征及其差异,以研究反复荷载作用对其受力性能的影响。试验结果表明:无黏结PSRC框架开裂后刚度不发生明显变化,具有优良的承载力及延性,单调荷载作用下框架的计算延性指标约为3.36;反复荷载作用下,其滞回曲线较为丰满,呈现一定的"捏拢"效应,最大能量耗散系数为1.36;达到极限荷载前,两框架的刚度、所受荷载值及正向作用下的裂缝开展情况基本接近,力加载阶段框架梁上最大裂缝宽度分别为0.11mm和0.08mm,反复荷载对结构性能的退化作用不明显;极限荷载作用后,单调荷载下框架所受荷载下降平缓,而反复荷载作用下框架所受荷载快速下降,且随着变形增大,速度变快。基于OpenSEES程序对竖向反复荷载作用下的无黏结PSRC框架的受力性能进行了模拟,其荷载-位移计算曲线与试验结果吻合良好。

焊接H形钢部分包裹高强混凝土柱抗震性能试验研究

以混凝土工作系数为参数,研究部分包裹高强混凝土柱(PEC柱)的抗震性能,对6根焊接H形钢部分包裹高强混凝土柱进行低周反复荷载试验。结果表明:不同设计参数下PEC柱的柱顶荷载-位移滞回曲线均为饱满的梭形,在柱翼缘厚度不变的情况下,混凝土工作系数从0.36提升至0.39时,PEC柱的极限荷载提升了7.5%,最大水平位移变化不大;混凝土工作系数从0.39提升至0.44时,PEC柱的极限荷载提升了2.1%,极限位移减小了16.98%,这是由于高强混凝土的脆性导致的。混凝土强度不变,混凝土工作系数从0.40减至0.36,PEC柱位移延性系数增加36.97%,改变翼缘厚度,降低混凝土工作系数对PEC柱的延性提升较为明显。位移角为1/35时,PEC柱承载力退化系数在0.95～0.99之间,位移延性系数在3.61～4.25之间,仍能保持良好的承载性能,且耗能系数均在2.0以上。此种PEC柱有良好的耗能能力和抗震性能,适用于抗震设防区的建筑结构中。

PEC柱-型钢梁框架中节点抗震性能试验研究

为研究部分包裹混凝土(PEC)柱-型钢梁框架中节点的抗震性能,以端板厚度、柱翼缘宽厚比以及是否增设背垫板为参数,对4榀焊接H形钢部分包裹混凝土柱-型钢梁框架中节点进行低周反复荷载试验,分析其破坏模式、承载力、滞回性能及延性等。并以此为基础,建立有限元拓展模型。试验和有限元结果表明:各节点滞回曲线均为饱满的梭形;节点处梁翼缘、腹板变形明显,节点域出现塑性铰;端板厚度由18 mm增加到24 mm,节点承载力提升7.1%;柱翼缘宽厚比由8减小到6,节点承载力提升17.3%;增设背垫板后,节点承载力提升14.2%;加载过程中节点刚度退化稳定,屈服后承载力退化系数约为0.9;节点位移延性系数介于3.72~5.34之间,等效黏滞阻尼系数介于0.537~0.619之间;节点破坏时,层间位移角介于1/26~1/24之间,变形性能满足抗倒塌设计要求。基于节点受力分析,建立节点域抗剪计算模型,提出PEC柱-型钢梁框架中节点受剪承载力计算公式,计算结果与试验值及有限元模拟结果较为吻合。

轴向约束型钢混凝土柱耐火性能试验研究

为了考察受轴向约束的型钢混凝土柱的耐火性能,以荷载比、偏心率和含钢率为参数,开展了7根轴向约束型钢混凝土柱的耐火试验。采用恒载升温模式,研究了火灾下受轴向约束的型钢混凝土柱的温度分布、位移、变形、耐火极限及破坏形态。试验结果表明:荷载比相同时,施加在轴心受压柱顶的竖向荷载大于偏心受压柱。对于轴心受压柱,高温下柱首先缓慢膨胀,然后逐渐压缩破坏;由于轴向约束分担了柱的竖向荷载,压缩变形随时间变化较为缓和,轴向约束延长了柱的耐火极限。对于偏心受压柱,高温下其膨胀变形大于轴心受压柱,且膨胀变形先增加再减小;轴向约束增加了柱的竖向荷载,缩短了柱的耐火极限。荷载比对轴向约束型钢混凝土柱耐火极限影响显著,荷载比越大,耐火极限越小。当荷载比不大于0.5时,偏心率越大,柱的耐火极限会相应增大。含钢率增加,会在一定程度上延长柱的耐火极限。

高温后型钢混凝土框架结构抗震性能及其有限元分析

考虑受火时间、柱轴压比的影响,进行了考虑火灾升降温作用影响的高温后型钢混凝土框架结构抗震性能试验,升降温过程中和高温后阶段均保持柱顶竖向荷载的恒定。通过试验对高温后型钢混凝土框架结构在反复荷载作用下的破坏形态及滞回性能进行了研究。在此基础上,考虑升温阶段、降温阶段以及火灾后三阶段材料本构关系的转化以及型钢与混凝土之间、钢筋与混凝土之间界面的黏结滑移特性,建立了型钢混凝土框架结构温度场以及火灾后抗震性能的有限元分析模型,所得温度场以及试件的破坏形态、滞回曲线的分析结果与试验结果基本吻合,验证了所提出模型的合理性。