型钢高强高性能混凝土框架节点抗震性能及设计计算理论研究

论文摘要

型钢高强高性能混凝土结构作为高技术混凝土材料和新型结构体系的有机结合,具有优良抗震性能和耐久性能。本文针对型钢高强高性能混凝土框架节点进行了系统研究,主要研究内容及成果概括如下:(1)从提高结构耐久性及改善型钢与混凝土之间粘结性能的角度研制了适用于型钢混凝土结构的高强高性能混凝土。深入分析了混凝土高强高性能化的技术途径,进行了大量的混凝土配合比试验,并基于型钢混凝土粘结滑移理论,以混凝土经济成本和混凝土与型钢的协同工作能力为目标函数,进行了非线性多目标混凝土配合比优化设计。对所研制的高强高性能混凝土的拌合物性能、破坏特征及力学性能进行了试验研究,综合已有研究成果确定了其应力应变本构模型,并对高强高性能混凝土耐久性及其试验方法进行了分析。(2)对于可能在工程结构中大规模使用的C60～C100强度等级的混凝土,进行了5榀型钢高强高性能混凝土框架中节点在低周反复荷载作用下的试验研究,试验参数考虑了混凝土强度和柱轴压比的变化。通过试验实测的荷载位移水平、应力分布及裂缝开展情况研究了节点的破坏过程、破坏机理、承载能力、延性及耗能性能,提出了型钢高强高性能混凝土框架节点在低周反复水平荷载作用下的裂缝模式,探讨了混凝土强度和轴压比对节点受力性能的影响。试验结果表明,尽管节点核心区最终发生剪切破坏,各试件仍然具有良好的延性和耗能能力,说明该类节点具有良好的抗震性能。(3)根据试验所得的滞回曲线和骨架曲线,分析节点的滞回规律及恢复力特性,提出了适合于型钢高强高性能混凝土框架节点的恢复力模型,为节点抗震性能研究和非线性地震反应时程分析提供科学的理论基础。根据不同荷载水平下的变形和滞回耗能性能,对节点试件的损伤性能进行了分析比较,确定影响节点损伤的因素,对试验框架节点的损伤指数进行了分析计算,并对试验研究结果进行了损伤量化,提出了适合于型钢高强高性能混凝土框架节点的基于变形和累积耗能非线性组合的地震损伤模型。(4)采用分离式三维实体模型,考虑各种材料的非线性及型钢与混凝土之间的粘结滑移,对型钢高强高性能混凝土框架节点试件进行了有限元分析;通过合理的单元选取及网格划分,较为精确地分析了节点在单调和低周反复荷载作用下的受力性能,特别是节点核心区应变分布,以弥补试验研究中无法直观了解细部受力情况的缺陷。将有限元分析结果与试验研究进行了对比验证,并考察了混凝土强度和轴压比对节点受力性能的影响。通过有限元模型参数的调整进行了数值模拟,定量分析了高强度混凝土脆性对节点抗剪承载能力的影响。(5)基于试验研究和有限元分析结果,进行了节点核心区受力及传力机理分析,确定了节点抗剪的各组成部分,并定量分析了各部分在不同受力阶段对节点抗剪能力的贡献。确定了节点抗剪计算中混凝土强度影响系数,以考虑高强度等级混凝土脆性对抗剪能力的影响,提出了型钢高强高性能混凝土框架节点抗裂、抗剪承载能力计算公式,公式中考虑了混凝土脆性和轴压比对节点承载能力的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 型钢高强高性能混凝土结构
• 1.1.1 型钢混凝土结构特点及应用
• 1.1.2 引入高强高性能混凝土的意义
• 1.2 节点抗震设计意义
• 1.3 型钢混凝土框架节点研究现状
• 1.3.1 试验研究
• 1.3.2 有限元分析
• 1.3.3 研究成果
• 1.4 研究目的、意义及研究内容
• 1.4.1 存在的问题
• 1.4.2 研究目的及意义
• 1.4.3 研究内容
• 2 适用于型钢混凝土结构的高强高性能混凝土研究
• 2.1 概述
• 2.2 技术途径
• 2.2.1 性能要求
• 2.2.2 混凝土破坏机理分析
• 2.2.3 混凝土细观结构分析
• 2.2.4 混凝土高强高性能化技术途径
• 2.3 配合比设计及试验
• 2.3.1 原材料
• 2.3.2 配合比设计方法
• 2.3.3 配合比试验
• 2.4 基于粘结滑移理论的配合比优化
• 2.4.1 型钢混凝土结构粘结滑移基本理论
• 2.4.2 数学模型
• 2.4.3 算例
• 2.5 力学性能
• 2.5.1 破坏特征
• 2.5.2 抗压强度尺寸系数
• 2.5.3 棱柱体强度及应力应变曲线
• 2.5.4 抗拉强度
• 2.6 耐久性能
• 2.6.1 混凝土耐久性概述
• 2.6.2 抗渗性能
• 2.6.3 抗氯离子侵蚀性能
• 2.6.4 抗冻融性能
• 2.7 本章小结
• 3 型钢高强高性能混凝土框架节点抗震性能试验研究
• 3.1 试验概况
• 3.2 试验参数
• 3.3 试验装置、材料性能及测试方案
• 3.3.1 试验加载装置
• 3.3.2 材料性能
• 3.3.3 量测内容及量测方案
• 3.3.4 数据采集
• 3.4 试验结果
• 3.4.1 试验过程及破坏特征
• 3.4.2 加载历程及荷载─位移滞回曲线
• 3.4.3 骨架曲线
• 3.5 试验结果分析
• 3.5.1 屈服点和极限点
• 3.5.2 节点变形分析
• 3.5.3 节点应变分析
• 3.5.4 延性及耗能性能
• 3.6 本章小结
• 4 型钢高强高性能混凝土框架节点P-Δ恢复力模型
• 4.1 概述
• 4.2 典型恢复力模型
• 4.2.1 几个重要的恢复力模型
• 4.2.2 恢复力模型的简化
• 4.3 型钢高强高性能混凝土框架节点恢复力模型
• 4.3.1 建立方法
• 4.3.2 骨架曲线模型
• 4.3.3 刚度退化规律
• 4.3.4 恢复力模型的数学描述
• 4.4 恢复力模型与试验结果的比较
• 4.5 本章小结
• 5 型钢高强高性能混凝土框架节点地震损伤模型
• 5.1 概述
• 5.2 损伤变量及参数
• 5.3 损伤模型
• 5.3.1 最大响应型
• 5.3.2 累积型
• 5.3.3 混合型
• 5.4 型钢高强高性能混凝土框架节点损伤模型
• 5.4.1 损伤累积曲线
• 5.4.2 试验结果的损伤量化
• 5.4.3 损伤模型的提出
• 5.5 型钢高强高性能混凝土框架节点损伤分析
• 5.5.1 损伤过程分析
• 5.5.2 损伤能力分析
• 5.5.3 损伤影响因素分析
• 5.6 本章小结
• 6 型钢高强高性能混凝土框架节点非线性有限元分析
• 6.1 概述
• 6.2 非线性有限元分析基本假定
• 6.3 单元分析
• 6 3.1单元类型
• 6.3.2 材料特性
• 6.3.3 型钢混凝土粘结滑移的模拟
• 6.4 有限元模型
• 6.4.1 三维实体单元模型
• 6.4.2 边界约束及加载
• 6.4.3 求解及后处理
• 6.5 单调加载的非线性有限元分析
• 6.5.1 荷载位移（P-Δ）曲线
• 6.5.2 内力分布和破坏机理
• 6.6 高强混凝土脆性影响分析
• 6.6.1 普通混凝土本构曲线
• 6.6.2 对比分析
• 6.7 反复加载的非线性有限元分析
• 6.7.1 破坏过程
• 6.7.2 滞回曲线
• 6.7.3 骨架曲线
• 6.7.4 延性及耗能性能
• 6.8 本章小结
• 7 型钢高强高性能混凝土框架节点受力机理及承载力分析
• 7.1 节点受力分析及总水平剪力计算
• 7.1.1 节点域受力分析
• 7.1.2 总水平剪力的计算
• 7.1.3 节点各部分承担的水平剪力
• 7.2 节点抗剪计算理论
• 7.2.1 受力机理
• 7 2.2 节点各部分抗剪计算模式
• 7.2.3 高强高性能混凝土强度折减
• 7.3 影响因素分析
• 7.3.1 混凝土强度
• 7.3.2 轴压力
• 7.4 节点核心区抗裂机理及承载能力计算
• 7.4.1 节点抗裂计算的意义
• 7.4.2 试验结果
• 7.4.3 抗裂承载力的计算理论与公式
• 7.5 节点核心区抗剪机理及承载能力
• 7.5.1 型钢承载能力
• 7.5.2 核心区箍筋承载力
• 7.5.3 高强高性能混凝土承载力
• 7.5.4 型钢高强高性能混凝土框架节点抗剪承载能力
• 7.5.5 梁柱应力传递
• 7.6 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 附录