荷载与湿热环境耦合作用下粘钢加固RC梁的耐久性能

粘贴钢板在钢筋混凝土结构加固领域得到了广泛的关注,但关于加固结构耐久性的研究较少涉及,尤其是荷载与湿热环境耦合作用下的耐久性研究。为探究粘钢加固RC梁在湿热环境与荷载耦合作用下的耐久性与损伤机理,开展了空载、静载和交变荷载与湿热环境耦合作用下7片粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的15、30 d高温高湿老化试验,最后进行了加固梁的三点弯曲试验,获取了不同荷载与环境工况耦合作用下加固梁的破坏形态、挠度、钢板与钢筋应变等力学参数,进一步分析了荷载与湿热环境耦合作用对加固RC梁的力学性能及耐久性能的影响。结果表明:经过15、30 d的湿热老化后,粘贴钢板加固RC梁的力学性能有所退化,耦合静载作用的加固梁力学性能退化更加明显,耦合交变荷载作用的加固梁力学性能退化最为显著;交变荷载与湿热环境作用下加固梁的极限强度、弯曲性能、钢板极限应变较对比梁分别下降17.26%、17.21%、41.92%;荷载与湿热环境耦合作用对梁体受力性能影响较大,对破坏模式影响较小,加固梁在荷载与湿热环境耦合作用下的破坏模式分为混凝土开裂、裂缝发展、钢板剥离破坏3个阶段;湿热腐蚀介质渗透入钢筋混凝土梁及粘结界面,对加固结构耐久性造成了损伤,荷载耦合作用进一步加剧了损伤演化。

钢板-混凝土双连梁受力性能有限元分析

运用ABAQUS分别建立钢筋-混凝土双连梁与钢板-混凝土双连梁有限元模型,进行有限元非线性计算,对比分析2种不同模型的极限承载力、破坏性能及延性。研究结果表明:钢板-混凝土双连梁同钢筋混凝土双连梁的破坏形态一样,属于弯剪破坏,可在梁端形成较大的塑性转角,成为剪力墙结构良好的抗震耗能构件;钢板-混凝土双连梁在达到屈服荷载时仍有一定的位移变形,但位移变形的幅度不如钢筋混凝土双连梁大;钢板-混凝土双连梁的延性及耗能性能不如钢筋混凝土双连梁好,但钢板-混凝土双连梁的极限承载力与刚度大于钢筋混凝土双连梁。

外包钢板-高延性混凝土组合连梁抗震性能试验研究

为改善小跨高比连梁的抗震性能,采用高延性混凝土(HDC)代替混凝土,设计了2个外包钢板-HDC组合连梁、1个外包钢板-混凝土组合连梁和1个内置钢板-HDC组合连梁试件。通过拟静力试验,研究其破坏形态、变形能力及耗能能力。试验结果表明:采用HDC代替混凝土可提高外包钢板组合连梁的变形能力和耐损伤能力;HDC与钢腹板的协同工作性能较好,有利于钢腹板抗剪作用的发挥;外包钢板-HDC组合连梁的耗能能力明显高于外包钢板-混凝土组合连梁和内置钢板组合连梁;外包钢板-HDC组合连梁的剪压比设计值为0.65～0.70,其剪压比明显高于内置钢板组合连梁。因此,采用外包钢板-HDC组合连梁,可提高小跨高比连梁的剪压比限值,解决连梁设计中剪压比超限的问题。

钢板混凝土组合连梁抗震性能研究进展

大震作用下连梁发生"强剪弱弯"破坏,以保证其延性和耗能有着重要意义。钢板一混凝土组合连梁(简称SPRC或PRC连梁)是一种新型组合连梁,由钢筋混凝土与钢板共同抵抗弯矩,利用钢板良好的承载能力与塑性变形能力进行抗剪,防止连梁发生脆性破坏,延缓混凝土裂缝出现和发展。对国内外有关SPRC连梁的试验研究、数值模拟以及计算方法进行了介绍和分析,总结了组合连梁的破坏形态、抗震性能、受力性能影响因素和受剪承载力计算方法等。在现有研究内容的基础上,指出SPRC连梁研究的发展趋势。

高层建筑连梁设计方案选取与优化

考虑设计中常用的刚度折减,比较了几种比较实用的连梁方案如普通混凝土连梁、钢骨混凝土连梁、双连梁等的最大承载力、延性、施工方便性等,指出各种连梁的适用条件,保证其具有较好的延性和承载力;对于新型的双连梁方案,通过ETABS软件建立模型,对双连梁与普通连梁内力进行分析研究,证明其能较明显的降低连梁的内力,保证承载力满足要求.通过本文的分析,为高层建筑中能够选取合理连梁方案提供指导.

联肢钢板-混凝土组合剪力墙性能化设计方法及静力弹塑性分析

为代替传统的钢筋混凝土剪力墙,充分发挥组合剪力墙结构体系的良好抗震性能,使其易于满足9度抗震设防的设计要求,同时控制墙肢的厚度,以便获取更大的建筑使用面积,钢板-混凝土组合剪力墙被设计应用于9度区高层建筑结构中。根据LEELATAVIWAT等提出的塑性设计方法,并结合对应的内力调整措施,对基于能量平衡的组合联肢剪力墙结构塑性设计方法进行了相关梳理和推导。并且在9度抗震设防条件下,基于此方法设计了12个联肢组合剪力墙结构算例,采用ABAQUS有限元软件对12个算例进行静力弹塑性分析及抗震性能研究。同时对各个结构算例的静力推覆曲线、结构整体屈服、墙肢内力、连梁剪力发展规律以及结构耦连比指标发展规律进行讨论分析。结果表明,12个结构算例中,耦连比的发展规律在单向推覆分析中符合理论和设计的基本预期,说明联肢组合剪力墙结构的"双重抗震防线"机制目标在基于能量平衡的塑性设计方法中能够较好地得到实现。

部分翼缘加强型钢板混凝土连梁的有限元分析

通过Abaqus建立钢板混凝土连梁模型对原始实验[1]进行模拟分析,分析结果与原始实验吻合良好,有限元分析表明:钢板混凝土连梁的墙梁连接处钢板的边缘在剪拉应力的作用下率先进入屈服,而配有工字型截面的型钢混凝土连梁其翼缘并不能沿跨度全部发挥作用,因此提出了在钢板混凝土连梁的钢板端部增加翼缘板形成部分翼缘加强型钢板混凝土连梁的思想,为了探究这种新型组合连梁的加强翼缘的几何尺寸对模型的力学性能的影响,以翼缘板的长、宽、高建立三组有限元模型并进行分析,并通过有限元程序对其进行初步设计与分析。结果显示这种组合连梁在提高连梁承载力与改善钢板应力分布方面具有良好的效果,分析结果表明:增加翼缘长度、宽度与厚度对均能改善钢板应力分布,但增加翼缘厚度对改善应力分布效果不明显。随翼缘板的长度、宽度、厚度的增加,模型承载力以及梁端转角逐渐增大;但是随着翼缘厚度增加,模型承载力提高以及梁端转角增加效果不显著。

基于ABAQUS的钢板锚固长度对混凝土-钢板组合连梁抗震性能影响分析

采用ABAQUS有限元软件建立了剪力墙结构中混凝土-钢板组合连梁的数值模型,分析了不同的钢板锚固长度对其抗震性能的影响。结果表明:在混凝土-钢板组合连梁结构中,钢板锚固长度对连梁的抗震性能有明显的影响。当锚固长度较小时,由于钢板锚固破坏而拔出,连梁未能在剪力墙中起到有效的耗能构件的作用;锚固长度较大时,不仅经济性差,也会给剪力墙中钢筋施工带来不便,因此有必要对混凝土-钢板组合连梁中的钢板确定一个较为合理的最小锚固长度,防止连梁首先发生锚固破坏。

绿色装配式钢结构建筑体系研究与应用

发展钢结构建筑,可化解钢铁产业过剩产能,推进建筑绿色化、工业化、信息化。在国家政策推动下,我国装配式钢结构建筑从1.0时代快速迈向2.0时代,发展了以传统钢结构形式为基础的改进型建筑体系,模块化新型建筑体系和工业化住宅建筑体系。新形势下,预制混凝土构件解决了钢结构的传统难题,不同墙体交叉应用发展了新型围护系统,信息化技术促进了建筑业跨越式发展。全装配钢框架和盒子型模块化装配体系是新型低、多层模块化建筑体系,其采用"建筑元器件"的设计概念,以结构构件或建筑功能单元为基本元件组合而成,具有构件装配化、围护一体化、生产工厂化等特点。新型MCFTS(Multi-core Concrete Filled Steel Tube System)高层钢结构体系适用于住宅建筑和公共建筑,该体系分为组合多腔钢管混凝土框架—支撑住宅体系和组合多腔钢板墙核心筒—钢管混凝土框架公共建筑体系。MCFTS体系以组合多腔扁柱和双侧板连接节点为技术核心。研究结果表明,该体系具有优良的抗震性能和可修复性能。

外包钢板-混凝土组合连梁试验研究(Ⅰ):抗震性能

对6根外包钢板-混凝土组合连梁试件进行了拟静力加载试验,试件变化参数有连梁跨高比、钢板厚度和弯剪比。连梁钢板的破坏包括连梁端部钢板的开裂和钢板的局部屈曲。试件承载力的下降主要由梁端钢板的开裂和裂口扩展引起。所有试件的连梁钢板开裂后,裂口迅速扩展,在钢板开裂或开裂后的下一级位移循环时荷载达到峰值。连梁钢板的局部屈曲分为连梁端部钢板的受压局部屈曲和钢腹板的剪切局部屈曲。局部屈曲的发生和形态主要受钢板厚度、连梁的跨高比和钢板开裂的影响。所有试件的内填混凝土均未发生明显的受压破坏。混凝土的开裂程度与裂缝分布与外部钢板的变形程度相一致。采用连梁钢腹板无对接焊缝构造试件的变形能力明显优于连梁钢腹板有对接焊缝构造试件的变形能力。所有试件的滞回曲线饱满,具有稳定的耗能能力。

外包钢板-混凝土组合连梁试验研究(Ⅱ):应力与内力分析

根据6根外包钢板-混凝土组合连梁试件的应变量测数据,计算得到了不同荷载水平下的钢板应力,并通过应力积分和截面内力平衡方程,得到了外包钢板和内填混凝土承担的各内力分量。结果表明:连梁钢腹板的屈服均先于或几乎与钢翼缘同时屈服。试件钢板开始屈服时的连梁剪力与峰值剪力的比值在0.61~0.76之间。达到峰值剪力时,除试件CFSCB-5外的其他试件的钢板都发生了明显的强化;钢腹板75%以上的区域的轴向正应力为拉应力,且靠近受压翼缘处的剪应力大于靠近受拉翼缘处的剪应力。连梁的外包钢板承担的剪力和弯矩比例在加载过程中会发生变化。在接近峰值剪力时,各试件的外包钢板承担的剪力比例在31%~60%之间,承担的弯矩比例在57%~87%之间;混凝土的剪力-轴压比与相应的连梁对角线与梁轴线的夹角的正切值接近。

基于中国尊大厦项目的高烈度区巨型超高层结构设计关键技术研究

对高烈度区巨型超高层结构的地震作用及效应、整体稳定性进行了分析研究,提出了地震作用剪力的质量分布法。对内置钢板混凝土组合剪力墙组合作用及抗裂、多腔钢管混凝土巨柱组合作用进行了原理分析、设计研究,工程实践和监测结果表明,工程中采用上述墙柱抗震效果非常理想。对巨柱分叉节点进行了有限元及试验研究,验证了该节点能很好地满足小震、中震及大震下的性能目标。对内置钢板支撑混凝土组合剪力墙结构进行了试验研究,大震弹塑性时程分析表明,该结构具有较好的延性,有效改善了核心筒墙的损伤程度。对钢制耗能双连梁阻尼器进行了试验验证,研究表明,钢制耗能双连梁阻尼器可以有效减缓混凝土梁的刚度退化。对三钢板高强混凝土叠合墙组成及抗剪承载力进行了分析。利用变刚度调平设计理论设计,实现了桩筏基础无缝设计,很好地控制了差异沉降和总沉降变形。

钢连梁-钢板混凝土组合剪力墙组合件抗震性能试验研究

为进一步提高联肢剪力墙结构的抗震性能,提出了一种改进型钢连梁-钢板混凝土组合剪力墙混合结构。通过对5个1/2缩尺连梁-墙肢组合件的低周往复加载试验,研究了钢连梁跨高比和加劲肋布置等因素对组合件抗震性能的影响。研究表明:组合件塑性变形均集中在易更换的钢连梁上,墙肢和节点部位损伤程度较低,有利于实现结构罕遇地震作用后的功能快速恢复;小跨高比(小于2)钢连梁发生整体的剪切屈服型破坏,可以更充分发挥连梁的整体塑性变形能力,具有比弯曲破坏型组合件更优越的抗震性能;所有组合件均具有优异的变形能力和稳定的滞回耗能性能;1/10位移角下,组合件承载力最大衰减量小于10%;加劲肋间距减小,可延缓钢连梁腹板和翼缘的压曲,提高组合件承载力和滞回耗能能力。

外包钢板-混凝土组合连梁非线性有限元分析:传力与变形机理研究

在外包钢板-混凝土组合连梁试验研究的基础上,对组合连梁试件和不同参数取值的补充模型进行了非线性有限元分析。有限元分析得到的滞回曲线与试验曲线吻合良好,能较好地模拟组合连梁的受力行为。通过应力分析,发现内填混凝土的工作机制类似于斜压杆,其压力沿着连梁对角线方向从一端的受压侧传递到另一端的受压侧。外包钢板承担的剪力比例和弯矩比例的范围分别为0.36~0.76和0.57~0.82;混凝土的剪力与轴压力之比和连梁的高跨比近似相等。连梁的侧向位移由节点区变形引起的梁端转角、连梁的弯曲变形与剪切变形产生;在常用的跨高比范围内,剪切变形产生的侧向位移在总位移中占有较大比例,且受跨高比的影响很大。

外包钢板-混凝土组合连梁刚度分析

联肢剪力墙弹性阶段的内力分布、抗侧刚度等工作性能主要受墙肢与连梁刚度的影响。为了准确分析外包钢板-混凝土联肢组合剪力墙的受力性能,对外包钢板-混凝土组合连梁的刚度进行了分析。基于钢板与混凝土无相对变形和忽略混凝土抗拉强度的基本假定,建立了组合连梁钢与混凝土无滑移的截面内力与变形之间的关系,并推导了截面刚度的计算公式。对于常用工程设计参数范围内的组合连梁,考虑滑移后得到的抗侧刚度相比无滑移情况减小了10%~24%。通过对无滑移组合连梁刚度公式中的混凝土部分贡献的折减(折减系数为0.5),得到了无特殊界面构造的外包钢板-混凝土组合连梁的刚度计算公式。通过与有限元分析和试验结果的对比,验证了公式的准确性。

不同连梁节点构造的联肢钢板剪力墙结构抗震性能试验研究

为研究不同连梁节点构造时联肢钢板剪力墙结构的抗震性能,制作了3个缩尺比例为1∶3的联肢钢板剪力墙试件。试件中连梁与柱的连接分别采用隔板贯通式焊接节点、穿芯螺栓节点和悬臂梁段-端板节点,竖向边缘构件采用方钢管混凝土柱。对3个试件进行了拟静力试验,得到了联肢钢板剪力墙的滞回曲线、骨架曲线、特征荷载和位移等指标,分析了结构的延性、耗能能力、承载力及刚度退化等性能。结果表明,各试件位移延性系数均大于5.37,等效黏滞阻尼系数均大于0.211,刚度和承载力退化稳定,承载力退化系数均大于0.91。连梁节点的差异导致各试件的屈服顺序均不相同,采用穿芯螺栓连梁节点的试件,连梁先发生剪切屈服,耗能能力最优;采用悬臂梁段-端板连梁节点的试件,连梁与剪力墙板几乎同时屈服,耗能能力次之;采用焊接连梁节点的试件,连梁因节点焊缝断裂而破坏,试件初始刚度较高,承载力与耗能能力低于其他试件。总体上,各试件的剪力墙板与连梁均发生了较严重的破坏,实现了多道抗震设防的设计目标。