钢—混凝土组合框架抗震性能及地震弹塑性反应研究

论文摘要

近年来,钢-混凝土组合框架结构因其优越的抗震性能在实际工程中得到了广泛的应用,并在国内外的多次强震中得到检验,虽然目前国内外对组合构件的抗震性能研究已较为成熟,但对组合框架体系的抗震性能及地震响应的研究缺乏系统性,尤其是关于钢管混凝土柱-组合梁组成的组合框架体系研究更少,国内外关于钢-混凝土组合结构抗震的相关规范中,没有给出钢-混凝土组合框架抗震的设计方法和构造措施,因此组合框架结构的抗震性能研究严重滞后于工程实践。针对国内外目前的研究现状,本文对钢-混凝土组合框架的抗震性能及弹塑性反应进行了理论分析和试验研究,其主要内容包括：（1）利用力的平衡原理及变形协调条件,考虑弯曲振动和轴向振动耦合,建立钢-混凝土组合梁动力学模型,推导其动力学方程,编制相应的计算程序,计算组合梁自振频率及在各种工况下的动力响应,分析滑移效应、竖向掀起以及剪切变形对组合梁动力特性及响应的影响。（2）基于部分作用组合梁有限元模型,推导考虑滑移的部分连接半刚性组合框架梁单元刚度矩阵,引入与连接件剪切刚度以及节点转动刚度有关的无量纲参数,研究滑移效应和半刚性连接对组合框架体系动力特性及弹性地震响应的影响。（3）以组合框架柱轴压比、长细比及梁柱线刚度比为主要参数,进行8榀由钢管混凝土柱与组合梁组成的全组合框架在低周反复荷载作用下的试验研究,分析其破坏形态、滞回曲线、强度退化、刚度退化、延性、耗能能力等抗震性能。（4）基于钢-混凝土组合框架低周反复荷载试验结果和理论分析结果,提出考虑轴压比、线刚度比、长细比等因素影响的简化骨架曲线和荷载-位移滞回曲线恢复力模型,该模型能较好地反应组合框架构件滞回性能的主要特点,计算简单方便,适用性强。（5）基于提出的组合框架荷载-位移恢复力模型,建立适用于组合结构构件的统一弯矩-曲率简化恢复力模型,并针对全组合框架结构的受力特性,编制全组合框架结构弹塑性时程分析计算程序EPSRCF,对组合框架弹塑性地震响应以及屈服机制进行分析,并与试验结果进行对比验证。（6）利用钢-混凝土组合框架弹塑性地震响应分析程序EPSRCF,分析组合梁剪力连接度、柱截面含钢率、柱长细比、梁柱线刚度比以及柱轴压比等因素对组合框架抗震性能及地震弹塑性响应以及屈服机制的影响规律,建议各种设计参数的合理范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢-混凝土组合结构的特点和应用
• 1.1.1 钢-混凝土组合结构的特点
• 1.1.2 钢-混凝土组合梁在国内外的发展与应用
• 1.1.3 钢管混凝土在国内外的发展与应用
• 1.1.4 钢-混凝土组合结构体系在国内外的发展与应用
• 1.2 钢-混凝土组合结构抗震性能研究现状概述
• 1.2.1 钢-混凝土组合梁抗震性能国内外研究现状
• 1.2.2 钢管混凝土柱抗震性能国内外研究现状
• 1.2.3 组合节点抗震性能国内外研究现状
• 1.2.4 钢-混凝土组合框架抗震性能国内外研究现状
• 1.2.5 钢-混凝土组合框架抗震理论国内外研究现状
• 1.3 目前研究存在问题
• 1.4 本文的研究内容及目标
• 第二章 钢-混凝土组合连续梁的动力特性及动力响应
• 2.1 引言
• 2.2 钢-混凝土组合连续梁模型
• 2.2.1 考虑界面滑移影响的组合连续梁振动模型
• 2.2.2 考虑界面滑移和掀起影响的组合连续梁振动模型
• 2.2.3 考虑界面滑移、掀起和剪切变形影响的组合连续梁振动模型
• 2.3 各种因素对钢-混凝土组合连续梁振动特性的影响
• 2.3.1 界面滑移对组合连续梁弯曲振动特性的影响
• 2.3.2 竖向掀起对组合连续梁弯曲振动特性的影响
• 2.3.3 剪切变形对连续组合梁弯曲振动特性的影响
• 2.4 钢-混凝土组合连续梁强迫振动响应的计算
• 2.5 各种因素对钢-混凝土组合连续梁强迫振动响应的影响
• 2.5.1 简谐均布荷载作用
• 2.5.2 简谐集中力荷载作用
• 2.5.3 任意均布荷载作用
• 2.6 本章小结
• 第三章 考虑滑移和半刚性连接的组合框架结构弹性地震响应分析
• 3.1 引言
• 3.2 考虑滑移与半刚性连接的组合框架结构的动力分析模型
• 3.3 考虑滑移与半刚性连接的组合框架结构的自振特性
• 3.4 考虑滑移与半刚性连接的组合框架结构弹性地震反应分析
• 3.4.1 结构的阻尼矩阵C
• 3.4.2 地震波的选取
• 3.4.3 结构动力响应求解
• 3.4.4 滑移效应以及半刚性连接对组合框架地震响应的影响
• 3.4.5 组合框架弹性地震响应的参数分析
• 3.5 本章小节
• 第四章 钢-混凝土组合框架抗震性能试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 组合框架抗震性能试验研究
• 4.3 试验结果及分析
• 4.3.1 组合框架破坏形态
• 4.3.2 组合框架水平荷载一位移滞回曲线
• 4.3.3 组合框架水平荷载一位移骨架曲线
• 4.3.4 组合框架的水平荷载-应变滞回曲线
• 4.4 组合框架抗震性能分析
• 4.4.1 组合框架的延性
• 4.4.2 组合框架的强度退化
• 4.4.3 组合框架的刚度退化
• 4.4.4 组合框架的耗能能力
• 4.5 本章小结
• 第五章 钢-混凝土组合框架恢复力模型研究
• 5.1 引言
• 5.2 组合框架的骨架曲线模型
• 5.2.1 组合框架P-△骨架曲线影响参数分析
• 5.2.2 组合框架二阶弹性分析
• 5.3 组合框架的滞回恢复力模型
• 5.3.1 荷载-挠度恢复力模型的滞回规则
• 5.3.2 组合框架荷载-挠度恢复力模型
• 5.3.3 组合框架荷载-挠度恢复力模型计算结果与试验结果对比
• 5.4 本章小结
• 第六章 钢-混凝土组合框架弹塑性响应分析
• 6.1 引言
• 6.2 结构分析模型
• 6.3 结构计算假设
• 6.4 组合框架的简化弯矩-曲率恢复力模型
• 6.4.1 钢-混凝土组合梁恢复力模型参数确定
• 6.4.2 钢管混凝土柱恢复力模型参数确定
• 6.5 单元瞬时质量矩阵
• 6.6 单元瞬时刚度矩阵
• 6.7 单元瞬时阻尼矩阵
• 6.8 地震波的选择与输入
• 6.9 组合结构弹塑性地震响应的数值分析以及程序设计
• 6.10 算例分析
• 6.10.1 算例一
• 6.10.2 算例二
• 6.11 本章小结
• 第七章 钢-混凝土组合框架动力性能参数分析
• 7.1 引言
• 7.2 钢-混凝土组合框架固有频率影响因素参数分析
• 7.2.1 钢管混凝土柱含钢率（α）对组合框架固有频率的影响
• 7.2.2 钢管混凝土柱长细比（λ）对组合框架固有频率的影响
• 7.2.3 梁柱线刚度比（i）对组合框架固有频率的影响
• 7.2.4 钢-混凝土组合梁剪力连接度（η）对组合框架固有频率的影响
• 7.3 各种参数对钢-混凝土组合框架弹塑性地震响应的影响
• 7.3.1 钢管混凝土柱含钢率（α）对组合框架地震响应的影响
• 7.3.2 钢管混凝土柱长细比（λ）对组合框架地震响应的影响
• 7.3.3 梁柱线刚度比（i）对组合框架地震响应的影响
• 7.3.4 钢管混凝土柱轴压比（n）对组合框架地震响应的影响
• 7.3.5 钢-混凝土组合梁剪力连接度（η）对组合框架地震响应的影响
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 本文创新点
• 8.2 结论
• 8.3 进一步工作的方向
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果