型钢高强高性能混凝土结构力学性能及抗震设计的研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 型钢混凝土结构的应用研究
• 1.2.1 国外SRC结构的应用和研究
• 1.2.2 中国SRC结构的应用和研究
• 1.3 型钢高强高性能混凝土组合结构的应用
• 1.3.1 高强高性能混凝土的发展
• 1.3.2 SRHPC组合结构的特点
• 1.4 SRHPC组合结构的研究现状
• 1.4.1 SRHPC组合材料的研究
• 1.4.2 SRHPC组合结构的研究
• 1.4.3 SRHPC结构的非线性分析
• 1.5 本文的研究内容
• 1.5.1 有待研究的问题
• 1.5.2 本文的研究工作
• 参考文献
• 2 HSHPC材料力学性能的研究
• 2.1 HSHPC配制的原材料
• 2.1.1 水泥
• 2.1.2 骨料
• 2.1.3 矿物掺合料
• 2.1.4 高效减水剂
• 2.2 HSHPC配合比的设计研究
• 2.2.1 HSHPC的配合比试验
• 2.2.2 HSHPC的工作性
• 2.2.3 HSHPC的养护
• 2.3 HSHPC的力学特性
• 2.3.1 破坏特征
• 2.3.2 抗压强度
• 2.3.3 特征应变量
• 2.3.4 弹性模量
• 2.3.5 泊松比
• 2.3.6 抗拉强度
• 2.4 HSHPC的本构模型
• 2.4.1 HSHPC多轴受压的应力状态
• 2.4.2 非约束HSHPC的应力-应变关系
• 2.4.3 约束HSHPC的应力-应变关系
• 参考文献
• 3 HSHPC配筋结构的粘结性能研究
• 3.1 型钢与混凝土粘结性能的试验设计
• 3.1.1 粘结滑移试验方案
• 3.1.2 粘结滑移试件制作
• 3.1.3 型钢与混凝土粘结滑移研究内容
• 3.2 拉拔荷载作用下型钢混凝土粘结性能
• 3.2.1 粘结力的横向分布
• 3.2.2 粘结滑移破坏特征
• 3.2.3 粘结滑移理论分析
• 3.2.4 粘结滑移本构模型
• 3.3 反复荷载作用下型钢混凝土粘结性能
• 3.3.1 粘结滑移试验结果
• 3.3.2 粘结滑移的本构模型
• 3.4 型钢与HSHPC之间的粘结性能
• 3.4.1 粘结滑移试验结果
• 3.4.2 粘结滑移机理分析
• 3.4.3 粘结滑移特征量计算
• 3.4.4 粘结滑移本构模型
• 3.5 钢筋与HSHPC的粘结性能
• 3.5.1 既有试验研究
• 3.5.2 试验结果分析
• 3.5.3 粘结滑移本构模型
• 3.6 SRHPC结构剪切连接件的力学性能
• 3.7 HSHPC配筋结构的设计建议
• 3.7.1 钢筋在HSHPC中的锚固
• 3.7.2 型钢在HSHPC中的设计参量
• 3.7.3 其它技术
• 参考文献
• 4 非线性有限元分析SRHPC结构的措施
• 4.1 SRHPC结构分析的非线性
• 4.2 SRHPC材料的本构关系
• 4.2.1 混凝土本构模型
• 4.2.2 混凝土强度准则
• 4.2.3 钢材本构关系
• 4.3 SRHPC结构的几何非线性
• 4.4 SRHPC结构的有限元模拟技术
• 4.4.1 SRHPC截面特性
• 4.4.2 单元的选择
• 4.4.3 粘结滑移模拟
• 4.4.4 模拟过程措施
• 参考文献
• 5 SRHPC框架结构的试验研究
• 5.1 试验试件设计
• 5.2 试验方案设计
• 5.3.1 试验目的
• 5.3.2 加载方案
• 5.3.3 测量方案
• 5.3 材性试验
• 5.3.1 钢材材性
• 5.3.2 混凝土材性
• 5.4 SRHPC框架试验过程描述
• 5.4.1 主要破坏特征
• 5.4.2 滞回曲线与骨架曲线
• 5.5 SRHPC框架试验结果分析
• 5.5.1 抗震承载能力
• 5.5.2 变形能力
• 5.5.3 延性系数
• 5.5.4 刚度分析
• 5.5.5 耗能能力
• 参考文献
• 6 SRHPC框架结构的数值分析
• 6.1 SRHPC框架试验的有限元验证
• 6.1.1 有限元模型建立
• 6.1.2 有限元计算结果
• 6.2 SRHPC框架结构的数值试验
• 6.2.1 数值试验设计
• 6.2.2 轴压比的分析
• 6.2.3 混凝土强度的分析
• 6.2.4 型钢强度的分析
• 6.2.5 含钢量的分析
• 6.3 SRHPC框架结构滞回性能的数值分析
• 参考文献
• 7 结论与设计建议
• 7.1 SRHPC组合材料的研究结论
• 7.2 SRHPC组合结构的研究结论
• 7.3 后继工作
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文及科研情况
• 发表学术论文
• 参加科研项目
• 申请专利
• 受到奖励