方钢管混凝土组合异形柱框架-支撑结构体系力学性能研究

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1、天津大学博士学位论文方钢管混凝土组合异形柱框架-支撑结构体系力学性能研究MechanicalBehavioroftheSpecial-shapedColumnComposedofConcrete-filledSquareSteelTubeBracedFrameSystem【申请博士学位】一级学科：土木工程学科专业：结构工程作者姓名：赵炳震指导教师：陈志华教授天津大学建筑工程学院二零一七年五月万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写

2、过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据

3、万方数据摘要方钢管混凝土组合异形柱（special-shapedcolumncomposedofconcrete-filledsquaresteeltubes，简称SCFST柱）可隐藏于墙体内部，室内不露柱子凸角，抗震性能优，综合性能好。采用SCFST柱技术的钢结构住宅建筑效果美观，施工便捷，绿色环保，具有良好的应用前景，将SCFST柱技术成功应用于高层钢结构建筑，具有良好的工程应用价值和社会经济效益。本文提出适用于高层住宅建筑的SCFST柱框架-支撑结构体系，并针对该体系的抗震性能、SCFST柱结构设计计算方法以及SCFST柱的耐火性能等方面进行相关研

4、究，具有重要的科学意义和工程参考价值。本文主要研究内容如下：为研究SCFST柱框架-支撑结构的抗震性能，完成了相关拟静力试验，该结构支撑率先发生屈曲，之后钢梁出现扭转现象，至试验结束SCFST柱也未发生破坏，支撑、钢梁和柱的应变值依次变小，结构体现出合理的破坏机制。结构滞回曲线呈梭形，耗能性能较好，骨架曲线下降较为平缓，体现出良好的延性和变形能力。结构侧向线刚度存在一定下降现象，而强度退化现象并不明显。随着轴压比的提高，支撑框架延性和耗能能力有所下降，抗侧能力和线刚度有所提高；SCFST柱截面加强后，延性、抗侧能力和耗能能力均有所提高。SCFST柱框架-

5、支撑结构变形与框-剪结构变形相一致。在地震作用下SCFST柱各单肢之间存在弱扭转效应，但变形控制在合理范围内，SCFST柱体现出较高的承载能力。支撑框架整体结构抗震性能良好。完成了SCFST柱框架-支撑结构抗震性能有限元分析，数值分析的破坏现象、破坏机制与试验相吻合，且承载力、刚度以及滞回变化规律与试验结果基本一致，验证有限元模型的正确性。针对SCFST柱轴压比、柱截面形式以及支撑刚度等因素进行有限元参数化分析，整体而言，SCFST柱框架-支撑结构的抗震性能对于轴压比的变化并不敏感；加强SCFST柱有利于整体结构抗震性能的提高，且对于抗震第二道防线的加强

6、有重要作用；加强支撑截面对提高结构弹性阶段的整体抗侧刚度作用明显，但是应注意避免结构在大震作用下过“刚”引发脆性破坏。在抗震性能试验研究及有限元分析的基础上，通过线性回归方法建立了SCFST柱框架-支撑结构的三折线骨架模型，明确了滞回及退化规律，建立了简化滞回模型，对实际工程设计具有一定的指导意义。依托现有结构设计软件，确定SCFST柱结构安全、有效的设计计算方法对于该体系工程应用推广具有重大意义。本文提出实建截面、自建截面和等效截面三个方法对SCFST柱结构进行设计分析。经研究发现，在整体结构宏观指标计I万方数据算层面，三种方法均可行，且具有一定安全储

7、备；在SCFST柱构件验算层面，仅实建截面方法可行。福康家园项目是全国第一个异形柱高层钢结构住宅，本文对该工程进行风荷载分析、多遇地震弹性分析以及罕遇地震下静力弹塑性分析，分析表明结构破坏机制合理，具有较高的承载能力和较好的延性。耐火问题是钢结构工程普遍要面临的一项重要课题，SCFST柱的耐火研究目前尚属空白。本文提出对SCFST柱采用50mm厚蒸压轻质加气混凝土板包裹的防火保护措施，并进行耐火性能试验，耐火极限满足《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）要求。研究表明，试验中试件的轴向压缩变形量微小，柱构件轴压比增大后，轴向压缩变形量变大，

8、耐火极限变小。SCFST柱的钢管柱截面虽较小，但其内填混凝土仍具有一定的吸热作用