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硕士学位论文空心钢管混凝土框架结构抗震性能研究SEISMICRESPONSEANALYSISONCENTRIFUGALHOLLOWCONCRETE-FILLEDSTEELTUBULARFRAMESTRUCTURES于磊哈尔滨工业大学2010年12月 国内图书分类号:TU375/TU398+.9学校代码:10213国际图书分类号:624密级:公开硕士学位论文空心钢管混凝土框架结构抗震性能研究硕士研究生:于磊导师:査晓雄教授申请学位:工学硕士学科:土木工程所在单位:深圳研究生院答辩日期:2010年12月授予学位单位:哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex:TU375/TU398+.9U.D.C:624DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringSEISMICRESPONSEANALYSISONCENTRIFUGALHOLLOWCONCRETE-FILLEDSTEELTUBULARFRAMESTRUCTURESCandidate:YuLeiSupervisor:Prof.ZhaXiaoxiongAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:CivilEngineeringAffiliation:ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence:December,2010Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要空心钢管混凝土结构作为钢管混凝土结构的一个分支,由于其出色的经济性和易装配性,目前被大量应用于实际工程中,并且在去年颁布了《空心钢管混凝土结构技术规程》。目前对于该规程中关于框架结构的最大适用高度以及高宽比限值研究不够,仅仅是参考钢筋混凝土结构的相关要求来制定的。有必要对其进行实际的验算。另外,空心钢管混凝土框架结构梁柱节点刚度对空心钢管混凝土结构的抗震性能影响很大,也值得研究。本文针对以上问题做了如下研究:(1)利用以进行的钢管混凝土节点实验的实验数据,对空心钢管混凝土节点的弯矩——转角模型进行了分析,并将试验中的得到数据与本文中所设计的节点模型进行了对比。另外,利用所得到的转角模型分析了节点刚度对框架结构的抗震性能的影响(2)在大型有限元分析软件ABAQUS软件中建立了空心钢管混凝土框架结构的纤维梁模型,并且在节点处增设了本文中所设计的半刚性节点模型,对半刚性节点性质进行了模拟。通过改变结构的节点刚度、空心率和截面类型,模拟分析了以上因素对空心钢管混凝土框架结构抗震性能的影响。(3)通过建立普通钢筋混凝土和空心钢管混凝土的框架结构模型,并对比其在各个地震条件下的地震响应,分析《空心钢管混凝土结构技术规程》中的相关条款。关键词:空心钢管混凝土最大适用高度高宽比半刚性节点-I- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractCurrently,centrifugalhollowconcrete-filledsteeltubularstructure,asabranchoftheconcrete-filledsteeltubularstructure,havebeenwidelyusedinactualprojectsbecauseofitsexcellenteconomyandeasy-assembly,andthe"TechnicalSpecificationforhollowconcrete-filledsteeltubularstructures"hasbeenissuedlastyear.Atpresenttherearenotenoughresearchonthemaximumheightandtheheight-widthratiofortheframestructure,the"TechnicalSpecificationforhollowconcrete-filledsteeltubularstructures"onlymakethemastherelevantrequirementsofreinforcedconcretestructures.Soitisnecessarytocarryouttheactualcheckingofthem.Inaddition,thesemi-rigidjointsalsohaveagreatimpactontheseismicperformanceofcentrifugalhollowconcrete-filledsteeltubularstructures,soitisworthstudying.Themaincontentsofthispaperareasfollow:(1)Basedontheexperimentaldataoftheconcrete-filledsteeltubularjointexperiment,thispaperanalysisthemoment-rotationmodelofthehollowconcrete-filledsteeltubularstructurejoint,andcomparethesemi-rigidjointmodel,whichisdevelopedinthispaper,withtheexperimentdata.Byusingthesemi-rigidjointmodel,thispaperanalysishowthesemi-rigidjointaffecttheseismicresponseoftheframestructure.(2)Thispaperestablishthehollowconcrete-filledsteeltubularfiberbeammodelinthefiniteelementanalysissoftwareABAQUS,andsimulatethesemi-rigidjointpropertybysettingthesemi-rigidjointinthemodel.Bycomparingtheseismicresponseofthemodelwhichhavedifferentjointstiffness,hollowratioandsectiontype,thispaperanalysishowthejointstiffness,hollowratioandsectiontypeeffectthewholestructure.(3)BycomparingtheseismicresponseoftheRCframemodelandthecentrifugalhollowconcrete-filledsteeltubularframemodel,thispapertestandverifytherelatedarticlesinthe"TechnicalSpecificationforhollowconcrete-filledsteeltubularstructures".-II- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Keywords:centrifugalhollowconcrete-filledsteeltubular,themaximumheight,theheight-widthratio,thesemi-rigidjoints-III- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要...................................................................................................................IAbstract...............................................................................................................II目录................................................................................................................IV第1章绪论.........................................................................................................11.1空心钢管混凝土结构研究背景.................................................................11.1.1钢管混凝土的应用...............................................................................11.1.2空心钢管混凝土...................................................................................31.1.3地震的危害...........................................................................................41.2研究现状....................................................................................................51.2.1高层结构抗震的研究现状...................................................................51.2.2影响结构高度和高宽比的因素...........................................................61.2.3半刚性节点的研究现状.......................................................................91.2.4空心钢管混凝土结构的研究现状.....................................................111.2.5空心钢管混凝土构件及节点抗震性能的研究现状..........................121.3本文的主要研究内容..............................................................................13第2章钢管混凝土的本构关系........................................................................142.1引言..........................................................................................................142.2纤维梁模型..............................................................................................142.3材料的本构关系......................................................................................142.4本构模型的验证......................................................................................192.5本章小结..................................................................................................21第3章节点抗震性能实验研究及节点模型分析............................................223.1引言..........................................................................................................223.2试验原理及试件模型介绍.......................................................................223.3试件制作流程..........................................................................................233.4加载系统及加载策略..............................................................................24-IV- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.3.1轴力加载装置.....................................................................................243.3.2竖向往复力加载装置.........................................................................253.3.3加载策略流程.....................................................................................253.5数据采集系统..........................................................................................263.4.1力采集系统.........................................................................................263.4.2位移采集系统.....................................................................................263.4.3应变采集系统.....................................................................................273.6节点转角模型与实验数据对比...............................................................273.7半刚性节点的影响..................................................................................293.7.1国外规范的相关规定.........................................................................303.7.2我国规范的相关规定.........................................................................313.7.3节点刚度对结构的影响.....................................................................313.8本章小结..................................................................................................34第4章空心钢管混凝土框架结构有限元分析................................................354.1引言..........................................................................................................354.2地震波的选择..........................................................................................354.3空心钢管混凝土框架模型的建立过程...................................................364.3.1空心钢管混凝土框架结构模型的设计.............................................364.3.3模型的简化和假定.............................................................................384.3.4模型建立和实现过程.........................................................................384.4算例设计..................................................................................................414.5空心率对结构的影响..............................................................................414.6截面形状对结构的影响...........................................................................444.7空心结构与普通结构的对比...................................................................464.8本章小结..................................................................................................49结论.................................................................................................................50参考文献.............................................................................................................51攻读学位期间发表的学术论文..........................................................................55哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明......................................................56-V- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书......................................................56致谢...................................................................................................................57-VI- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1空心钢管混凝土结构研究背景1.1.1钢管混凝土的应用进入90年代以来,我国的建筑逐渐向着高层和超高层发展,建筑高度不断刷新。比如深圳赛格广场292米(图1-1),深圳地王大厦(信兴广场)384米(图1-2),上海金茂大厦421米(图1-3)。图1-1深圳赛格广场图1-2深圳地王大厦-1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-3上海金茂大厦随着建筑高度的刷新,建筑物本身也向着大跨度和大空间的方向发展。这样就对建筑物的抗震要求及受力形式提出了更高的要求,然而传统的钢筋混凝土结构及纯钢结构就出现了很多问题。比如钢筋混凝土结构的结构比重大,在高层建筑和在较大的情况下通常会导致截面尺寸较大。然而大体积混凝土浇注复杂,施工速度低。另一方面,虽然钢结构自身的比重较轻,在高层设计中可以减轻自重荷载。但是钢材本身造价较高,本身的耐腐蚀性和抗火性又很差。就在这时在高层建筑设计中采用了一种新型的结构技术——钢管混凝土结构[1-4]。钢管混凝土是一种由在钢管内通过浇灌混凝土完成的的结构形式。比起传统的结构形式,它充分发挥了组合结构中的钢材和混凝土两种材料的优点及弥[5,6]补了两种材料的缺点。这样就决定了它在高层建筑应用中的一些优点:(1)钢管混凝土柱承载力高。试验证明,钢管中混凝土由于受到钢管约束,使其处于三向应力的状态,这样的三向应力状态令钢管混凝土结构中核心混凝土的抗压能力比钢筋混凝土柱中的同等级横混凝土显著提高。同时由于内部混凝土对外部钢管屈曲的约束,使之和普通的钢柱相比,钢管本身也不会产生局部失稳问题。通过两种材料之间相互约束,完美的解决了两种材料单独使用时的弱点,并且互补效果使钢管混凝土成为理想的受压构件。(2)增加构件和结构的延性及抗震性能。由于钢管对内部核心混凝土的约束作用,避免了核心混凝土的脆性破坏,从而增加构件的塑性和延性,因而其抗震性能也比普通钢筋混凝土结构要好。-2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(3)可以减小梁柱截面尺寸,增加建筑使用空间。由于钢管混凝土柱承载力高,不但柱截面小,还可以采用大柱网、大空间的结构体系。另一方面,和钢筋棍凝土结构相比,它可以不受含钢率的限制,而且由于结构自重减小,地震作用引起的地震反应也相应减小,这对于结构抗震是大大有利的。(4)可以降低地基基础造价。由于结构自重的大幅度降低,基础截面尺寸也相应减小,从而降低基础造价。(5)节省支模的工序,缩短施工周期。和钢筋混凝土结构相比,钢管可以兼作柱的外模和临时支撑,免去了绑钢筋、支模和拆模等工序;而且柱内无钢筋,混凝土浇灌也相对简单的多,可以做到多层一次施工,并能更好的配合施工中泵送顶升的技术;在高层建筑地下室的施工中,还可以采用先进的逆作施工法,加快工程进度。(6)是高层建筑中应用高强混凝土的一种最经济有效的形式。钢管对混凝土的约束作用能有效的克服高强混凝土的脆性,而且钢管内无钢筋骨架,便于浇筑高强混凝土,施工便捷,所以既能够真正发挥高强混凝土的作用,又不多费钢材。同时,钢管可以将柱内外混凝土完全分开,柱内采用高强混凝土,梁板采用低等级混凝土,内外互不干扰,无交错浇灌的麻烦,扩大了高强混凝土的应用范围。钢管混凝土结构是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋钢筋混凝土结构和钢结构的基础上演变和发展起来的。由于钢管混凝土结构是一种新型结构,所以国内外的学者对于这种结构的静力及动力性能十分关注。1.1.2空心钢管混凝土[7-8]空心钢管混凝土结构h-cfst(hollowconcrete-filledsteeltube)是钢管混凝土结构的一种重要的分支,空心钢管混凝土构件是通过将混凝土浇灌与外套钢管内部,然后通过使用离心设备进行高速离心而成的组合结构。空心钢管混凝土构件除了具备了钢管混凝土结构的普遍特性外,还有着自己特有的优点:(1)自重轻,由于空心钢管混凝土构件是由离心设备离心而成的,所以内部是中空的。对比普通钢管混凝土构件,空心钢管混凝土构件自重更为轻便。方便运输和吊装。(2)可以预制。空心钢管混凝土构件可以进行大批量的预制,通过工厂预制,可以减少施工现场作业。不仅如此,由于是在工厂进行的工业化的,标准化的生产,比起现场浇灌的构件,空心钢管混凝土构件的质量可以得到较好的保证。-3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文鉴于空心钢管混凝土结构的上述优点,使之在电力系统范围内得到了广大好评和应用,表1-1中是近年来空心钢管混凝土结构在输变电塔工程中的应用[9]。表1-1近年来空心钢管混凝土在工程中的应用工程名称地区建成年份应用范围500KV郑州变电所郑州1988年500KV设备构架220KV上古林变电所天津1989年220KV构架220KV新塘沽变电所天津1990年220KV构架500KV安定变电所北京1990年500KV和220KV构架500KV兰亭变电所绍兴1990年220KV构架220KV曹家变电所辽宁1992年220KV构架110KV新甸变电所浙江1992年110KV,35KV主变电设备萧山发电厂杭州1992年110KV高型,220KV中型及主变电构件对比传统的预应力钢筋混凝土塔和全钢杆塔有着明显的优势:(1)对比预应力钢筋混凝土塔,空心钢管混凝土结构不存在着混凝土开裂的问题。并且可以提高结构的可靠度,延长使用寿命。同时,空心钢管混凝土结构的抗震和抗冲击能力要远远优于预应力钢筋混凝土结构。(2)和全钢杆塔对比,可以节省钢材50%左右,大大降低了成本。而且我国又是一个铁矿资源不丰富的国家,使用空心钢管混凝土结构也可以节省矿产资源,保护自然环境。由此可见在输变电塔工程中采用空心钢管混凝土结构有着明显的优势,但是由于,空心钢管混凝土结构的受力状态复杂,还应对其进行大量的实验和理论研究。1.1.3地震的危害世界上每年有10000人死于地震。联合国教科文组织(UNESCO)的调查显示:自1926年到1950年,地震带来的经济损失高达1000亿美元。在此期间,位于中亚的两个城镇和200个村庄被毁。阪神大地震、唐山大地震等给人类生-4- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文命财产和安全造成了巨大的损害。2008年发生的5.12汶川特大地震,那些日子看见铺天盖地的地震报道,感受到的是丧失亲人、同胞之痛、地震给人们的生活、生命带来巨大的威胁。其中北川县城变成一片废墟,映秀镇的人口损失达到2/3。今年4月14日发生的玉树7.1级特大地震虽然震级较汶川地震小,但是仍然带来了无法估计的损失和人身伤亡。表1-2中是我国建国以来发生的7级以上特大地震表1-2我国近年来发生的特大地震地震名称地震时间震级云南大关地震1974年5月11日7.1级辽宁海城地震1975年2月4日7.3级河北唐山地震1976年7月28日7.8级云南丽江地震1996年2月3日7.0级青海昆仑山地震2001年11月14日8.1级四川汶川地震2008年5月12日8.0级青海玉树地震2010年4月14日7.1级在这些发生过的特大地震中,除了一些发生在人烟稀少地区的地震,或者是事先已经预测出,并且进行了人员撤离工作的地震外,只要发生的人口较密集地区,都无一例外的导致了大量的人身伤亡情况,并且伴随着大量的经济损失。由于地震的发生的本身通常的无法预测的,并且也伴随着一定的突发性。所以无论是人民生活所必须的民用住宅还是维系国家命脉的工业建筑都必须能够禁受地震的冲击,这样才能减少地震带来的危害。1.2研究现状1.2.1高层结构抗震的研究现状近年来,地震工程学者从不同的角度致力于高层结构抗震设计理论的发展与完善,其中最引人注目的是以结构性能评价为基础的抗震设计理论-5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(Performance—basedSeismicDesignTheory)和基于结构性能的地震工程学[10](Performance—basedSeismicEngineering)的发展。基于性能的抗震设计理论以结构抗震性能分析为基础。它针对每一种设防水准(例如50年超越概率为63.2%、10%和2%的地震动),将结构按照抗震性能的不同要求划分成不同等级(如弹性反应结构、延性反应结构、充分发挥延性的结构、有限延性的结构),实际上这就是我国规范中按结构类型的不同划分的抗震等级。设计者可以根据业主的要求(或向业主推荐),采用相对应的结构抗震等级和合适的结构抗震措施进行设计,使结构在各种水平地震作用下的破坏程度能够达到业主所选择并能够承受的要求,这样的设计也是从结构抗震性能的角度进行的最优化设计。1.2.2影响结构高度和高宽比的因素[11]高层建筑的高宽比和高度是对结构刚度和整体稳定的宏观控制指标。下面从几方面分别说明高宽比和高度两者的改变对钢管混凝土框架结构的影响情[12-14]况。框架结构在竖向荷载与在水平荷载作用下的变形是完全不同的,如图1-4、图1-5所示。从两图的对比来看,在框架结构在竖向荷载作用下框架的变形是与框架的层数的多少没有关系的,但在当框架结构处于水平荷载的作用下时,当框架结构的跨度不变,随着框架结构层数的增加,也就是高宽比的增大,框架结构的变形与框架结构的层数多少有极大的关系。基本上来说,框架结构层数越多,在地震作用下产生的水平位移往往就越大,框架结构的内力也往往随着层数或高宽比的增加而快速增长。框架结构的侧移有两部分组成,一部分是由框架柱本身的剪切变形引起的柱子的弯曲如图1-4(a),另一部分是由框架柱之间轴向变形不同M引起的整体的弯曲,如图1-5(b)。但是一般情况下都是底层层间总位移δ最大,向上逐渐减小,结构呈现“剪切型”。但是柱轴向变形在底层最小,底层的侧移也最小,所以当层数增加时,轴向变形引起的整体弯曲逐渐积累,柱子之间的轴向N变形的差值增大,因而愈到上层总侧移δ也愈大,结构就是呈现“弯曲型”。当高宽比较大时,柱轴向变形引起的整体弯曲不可忽略,轴向变形引起的侧移呈[12-14]“弯曲型”,在框架顶部的层间侧移较大。-6- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[14]图1-4框架在竖向荷载下的变形a)柱弯曲变形b)柱轴向变形[14]图1-5框架在水平荷载下的变形但是在高层结构设计中,结构的侧向位移成为了必须进行限制的因素。首先,如果结构本身的侧向位移过大,所导致P-Δ效应会使结构出现突然倒塌的状况。其次为了使结构构件在正常使用极限状态条件下都处于弹性阶段,结构本身不能出现较大的变形。另外,结构侧向位移较大也会使高层建筑中的居住者产生较大的不适感。因此,我国规范对结构的水平位移提出了限制要求,主要是采用了层间位移角作为限制条件。我国《建筑抗震设计规范》GB50011-2001中对不同结构在多遇地震和罕遇地震条件下的层间位移角作了要求,在多遇地震的条件产生的弹性层间位移角不得超过表1-3中的数值,在罕遇地震的条件下产生的弹塑性层间位移角不得超过表1-4中的数值。-7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表1-3抗震规范对弹性层间位移角的限值结构类型[θe]钢筋混凝土框架1/550钢筋混凝土框架—抗震墙、板柱—抗震墙、框架—核心筒1/800钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/1000钢筋混凝土框支层1/1000多、高层钢结构1/300表1-4抗震规范对弹塑性层间位移角的限值结构类型[θe]单层钢筋混凝土柱排架1/30钢筋混凝土框架1/50钢筋混凝土框架—抗震墙、板柱—抗震墙、框架—核心筒1/100钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/100钢筋混凝土框支层1/120多、高层钢结构1/50对于本文中的空心钢管混凝土框架体系,在《空心钢管混凝土结构技术规程》(CECS254:2009)中也对弹性层间位移角和弹塑性层间位移角作了如表1-5和表1-6的规定。本文将会按照《空心钢管混凝土结构技术规程》中所做的规定,对结构体系进行在多遇地震和罕遇地震条件下的刚度分析。表1-5空心钢管混凝土结构的弹性层间位移角限值结构类型[θe]空心钢管混凝土框架1/500空心钢管混凝土框架—钢支撑1/450空心钢管混凝土框架—钢筋混凝土墙(筒)1/800表1-6空心钢管混凝土结构的弹塑性层间位移角限值结构类型[θe]空心钢管混凝土框架1/50空心钢管混凝土框架—钢支撑1/50空心钢管混凝土框架—钢筋混凝土剪力墙(筒)1/100-8- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2.3半刚性节点的研究现状在半刚性节点的连接分析中,必须首先确定节点的弯矩—转角(M—θ)函数关系。描述M—θ关系最常用的方法是将试验数据拟合成数学表达式;半刚性连接节点的M—θ曲线模型可以归纳为以下几种形式:多线段表达的线性模型、[15~17]多项式模型、三次B样条模型、幂模型及指数模型等。1.2.2.1线性模型单刚度线性模型是一种较容易得到且简单的模型,一般是应用连接的初始刚度来表示整个加载过程中的连接刚度。但是由于在半刚性连接中初始刚度大于加载期间的任何点的切线刚度,因此用这种模型模拟的连接过高地估计了连接的刚度。当弯矩增加超过连接使用极限后,这种模型就不再有效。如图1-6所示,双线性模型能够更好地表达连接特性,这种模型在某一转折弯矩处,用一条更平坦的线来取代弯矩-转角线的初斜率。在折线模型中,用一组直线段来逼近非线性的M−θ曲线。这些模型的特点是不够精确,在转折点处刚度突变,使它们难以用于实践。特别是在连接屈服阶段,切线刚度很小,会造成较大的误差。[49]图1-6各种线性模型与实验的对比1.2.2.2多项式模型[18]Frye和Morris(1976)建立了多项式模型来计算几种类型连接的特性,在这个模型中M−θ关系用一个奇次方的多项式来表达。它的形式为公式(1-1):135θr=++CKM123()()()CKMCKM(1-1)式中K——取决于连接类型及几何尺寸的标准化参数-9- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文C1,C2,C3——曲线拟合常数这个模型能很好地模拟特性,它的主要缺点是多项式在某一范围内存在极值点,用M−θ曲线斜率表示的连接刚度,就可能在某些M值的对应处为负值。这在实际中是不可能的。另外,如采用切线刚度法,负刚度会导致框架结构分析中发生数值计算的困难。1.2.2.3B样条模型[19]Jones等用样条法对连接试验数据作了曲线拟合,在这个模型中,将M−θ试验数据分成许多小组,每一组跨越M的一个小范围。然后用三次B样条曲线拟合每组数据,同时保证交点处各组数据的一阶和二阶导数是连续的。这种模型能够回避负刚度问题,并能极好地表示非线性的M−θ特性,但在曲线拟合过程中需要大量的数据。1.2.2.4幂函数模型[20]Colson和Louveau(1983)按三参数弹塑性应力-应变模型提出一个幂函数,其形式为公式(1-2):M⎡1⎤θr=⎢n⎥(1-2)Rki⎢⎣1/−()MMu⎥⎦式中Rki——初始连接刚度Mu——连接的极限弯矩n——M−θ曲线的形状参数由于模型仅有三个参数,它不如样条模型精确。但这个模型所需的数据却大大减少。[21]Kishi和Chen提出一个类似的幂函数模型,其形式为公式(1-3):1/nM⎡1⎤θ=⎢⎥(1-3)rnRki⎢⎣1/−()MMu⎥⎦1.2.2.5指数函数模型[22]Kishi和Chen的改进指数模型形式如公式(1-4):n−θrMCejMR=−∑jk()1/2α+0+fθ(1-4)j=1-10- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式中M0——曲线拟合的连接弯矩初始值Rkf——连接应变硬化刚度α——标量参数,用来保证数值稳定Cj——是曲线回归分析得到的曲线拟合常数这个模型在曲线拟合试验数据方面能够回避负刚度问题,并可极好的回避非线性的M−θ特性。1.2.4空心钢管混凝土结构的研究现状[23]国外的学者对空心钢管混凝土结构作了一定的实验研究。M.Satoshi对空心钢管混凝土短柱构件进行了受压试验,混凝土部分采用了高强度的混凝土,并且通过轴压试验的结果研究提出了计算空心钢管混凝土柱的抗压强度公式,[24]该公式可以得出钢管混凝土构件的抗压强度极限值。O`Shea和Bridge对空心圆钢管混凝土柱构件进行实验研究,通过改变实验构件的空心率和径厚比,分析了不同的空心率和径厚比对试件的抗压承载力的影响。乌克兰的L.[25]Storozhenko和V.Butsky等学者行了一系列的空心钢管混凝土短柱构件轴压试验,并且参考实验结果,使用了有限元分析软件得到了空心钢管混凝土构件的应力—应变关系的全曲线。我国虽然在空心钢管混凝土的研究领域中起步比国外较晚,但是发展速度很快。无论是理论研究方面或者是工程应用方面都已进入了世界领先地位,成为了当今世界中工程应用最多的国家。而且,在我国空心钢管混凝土的研究也从普通的圆钢管混凝土向着方形、椭圆形以及多边形等角度发展,理论工作也在不断深入进行中并且已经颁布了《空心钢管混凝土结构技术规程》。下面是我国今年来对空心钢管混凝土结构进行的试验以及研究。[26]1991年,张素梅和钟善桐对空心钢管混凝土受弯构件进行了理论研究。文章中应用了虚功原理和变分原理对钢管混凝土构件这一三维应力分析问题转化为了二维的分析问题,实现了用有限元法对空心钢管混凝土构件在受弯状态下的三维双重非线性分析。[27]1999年,王建华对空心钢管混凝土电杆进行了理论和实验研究,作者提出了一种薄壁空心钢管混凝土电杆变形的简化计算方法,并且进行了实验。通过对比试验与理论的结果,验证了简化模型的可行性。[28]2003年,曲晨和金伟良对空心钢管混凝土构件进行了扭转分析,根据势-11- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文能原理的方法,进行了空心钢管混凝土构件的弹塑性刚度分析。通过对空心钢管混凝土构件的扭转弹塑性刚度进行理论上分析,并与实验结果进行对比,证明的所才采用的方法是满足工程需求的。[29]2006年,钟善桐、徐国林对空心圆钢管混凝土、空心方钢管混凝土和空心多边形钢管混凝土进行了实验和理论和研究。通过对圆形、方形和多边形进行短柱轴压试验,将实验结果与理论计算的结果对比发现吻合较好。导出了轴心手压式的强度设计公式,该公式对各种多边形和方形截面都适用,并且使用方便,设计简单。[30]2007年,支正东、张大长和陈怀亮等人对空心方钢管混凝土进行轴压试验。通过对15个方钢管圆孔混凝土轴压短柱试验研究,得出了轴压短柱的承载力特点和破坏模式。实验表明,方钢管圆孔混凝土短柱中的混凝土面积与总面积比值在0.62以上时,混凝土可以形成较好的环向拱效应,提高短柱的轴压承载力。[31]2007年,王宏伟、徐国林和钟善桐进行了55根各种截面的空心钢管混凝土轴压短柱试验,研究了不同截面参数情况下,空心率对平均应力和纵向应变的影响。实验结果表明,圆形截面试件的承载力高于其他类型截面。并且,试件的空心率越小,试件的承载力越高,轴压曲线的弹塑性阶段越长,同时曲线的下降段越趋平缓。1.2.5空心钢管混凝土构件及节点抗震性能的研究现状国内外也有不少人分析了钢管混凝土构件以及节点的性能。AlostazYM和[32]S.P.Schneider对圆钢管混凝土节点的性能进行了研究分析,Chin-Tung[33]Cheng和Lap-LoiChung则对钢梁——钢管混凝土柱结构进行了地震作用[34]下的受力分析,尧国皇分析了钢管混凝土构件在多种受力状态组合的条件下的工作性能,刘威分析了钢管混凝土构件在受到局部压力时的工作性能以及[35,36]其轴压性能。Ellobody和Young分析了方形和矩形截面的钢管混凝土短[37][38]柱的轴压性能,Ellobody还对分别使用普通混凝土及高强混凝土的圆形截面钢管混凝土短柱进行了荷载—变形全过程分析。[39]2009年,张凤亮、查晓雄和倪艳春对空心钢管混凝土柱的抗震性能进行[40,41]了研究。利用ABAQUS软件对空心钢管混凝土柱在低周反复荷载下的受力性能进行了模拟,并且得到了它的P-Δ的骨架曲线。根据骨架曲线,提出了延性系数计算模型,利用得到的简化模型,分别研究了轴压比、长细比、空心率、-12- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文钢材强度、混凝土强度、含钢率对延性系数的影响。1.3本文的主要研究内容从上面可以看出空心钢管混凝土由于其出色的经济性和易装配性,在高层建筑应用是可行的。但是现有的规范对空心钢管混凝土结构的整体抗震分析的研究几乎没有,空心钢管混凝土规范中对最大适用高度和高宽比限值的要求全部是参照混凝土结构规范中的相应条款,这样的取值一方面可能在设计过程中带来浪费、使得界面设计尺寸不经济,另一方面也可能带来安全隐患。同时梁柱节点区域的刚度对框架结构的抗震性能也有着很大的影响。故本课题对于空心钢管混凝土框架结构最大适用高度和高宽比限值的研究以及半刚性节点的研究都是具有十分重要研究意义和应用价值。本文的主要研究内容是对不同截面空心钢管混凝土框架体系进行抗震性能分析,目的是为了得到空心钢管混凝土框架结构的最大适用高度以及高宽比的限值,以期对现有规程进行修正和验算。通过使用振型反应谱分解法首先对要计算的模型进行抗震截面设计,在保证空心钢管混凝土柱截面的空心率和轴压比的情况下设计出所要的模型。然后使用大型有限元分析软件ABAQUS对所计算得到的模型进行多遇地震和罕遇地震条件下动力时程分析。通过对空心钢管混凝土框架结构在不同节点刚度、截面类型和空心率等条件下的结果进行对比,得出以上因素对结构的影响方式及影响程度。并且利用空心结构与实心结构以及普通钢筋混凝土结构的地震响应的对比结果,分析空心钢管混凝土结构的最大适用高度以及高宽比限值。另外,本课题还得到了中建五局在“钢混组合结构无焊接新型节点”项目中的大力支持,在此表示感谢。-13- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章钢管混凝土的本构关系2.1引言对于空心钢管混凝土结构的动力时程分析,只有通过选择合适的钢材与混凝土的本构关系进行分析才能得出其正确的动力响应。但是,选用何种的本构关系才能将钢管混凝土的特点体现出来,本章将对以上的内容进行阐述。2.2纤维梁模型在抗震理论十分成熟的现今,对结构进行大型的动力时程分析已经是十分的普遍的,在这些对结构分析的过程,无一例外的会碰到对结构模型简化的问题。纤维梁模型是一种十分简便的模型体系。传统的实体模型的分析方法往往有着很多问题,如果对模型划分过细,则计算时间太长,计算的代价相对较大;如果单元划分粗糙,则结果往往不够准确。纤维梁模型相比于实体模型,他的计算速度是实体模型无法比拟的优势,而且通过合理制定材料的单轴本构模型,计算结果也十分准确。ABAQUS这款分析软件中提供的梁单元正是这种纤维梁单元,通过建钢管混凝土结构中的分别建立纤维梁单元的形式,完成对钢管混凝土结构的模拟是可行而且准确的。2.3材料的本构关系2.3.1钢材的本构模型本文中使用的ABAQUS中自带的随动强化模型,强化段的弹性模量取弹性模型的0.01倍,本构模型如图2-1所示。-14- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图2-1钢材的随动强化本构模型2.3.2混凝土的本构模型从混凝土试件的单轴拉伸实验和单轴压缩实验的应力应变曲线可以看出以[42]下特点:(1)拉伸试件的应力应变曲线在应力达到抗拉强度后有下降段;(2)在单轴压缩试验中也有下降段,且在曲线上升段其弹性模量不断降低;(3)在应力越过峰值后卸载,其斜率小于初始斜率,这种现象称为刚度退化;(4)从受压试件由X射线进行透射的结果可以看出材料的内部的微小损伤随着应力的增大而增大。混凝土材料的以上特点决定了其本构模型的复杂性,传统的混凝土本构模型通常由金属的本构模型衍生出来,其结果就是不能很好的模拟混凝土在受拉段的软化性质和受压段的刚度退化性质,这样在抗震分析时往往不能模拟结构在往复作用下的刚度退化现象。本文中是基于纤维梁单元模型进行动力时程分析的,但是ABAQUS分析软件中的混凝土本构模型均不能在纤维梁模型中使用,所以基于ABAQUS软件进行了混凝土本构子程序的二次开发。如图2-2所示,对于空心钢管混凝土中的混凝土本构关系采用modifiedKent-Parkmodel模型。在本模型中,受拉为正,受压为负,需要定义的参数有7个:受压峰值应力应变坐标:(ε,f),受压压碎处应力应变坐标:(ε,f),cccccucu压碎处弹性模拟的损失系数:α。受拉极限:f,受拉软化阶段模量:E。tt-15- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文滞回损伤耗能段受拉软化段受拉拉裂段压碎段受压上升段受压下降段图2-2混凝土本构滞回曲线如图2-2所示,滞回过程规则:受拉区为线性回到原点;受压区为再次加载曲线3为过点R,斜率为E的直线,其中,点P为过原点斜率为E直线和过0压碎点斜率为αE直线的交点。斜率E根据包络线上点(σ,ε)和R点来确定。0cc卸载曲线1为过点()σ,ε斜率为E的直线,曲线2为过曲线1和x轴交点,斜cc0率为E2的直线。对于钢管混凝土结构,需要考虑套箍作用,根据文献[43]中的模型,对应7个参数的取值规则如下:考虑套管作用的混凝土(即约束混凝土)受压极值点为(ε,f),计算公式cccc如下:f=fm+f(2-1)cccrp⎡⎛⎞f⎤ccεε=+−⎢15⎜⎟1⎥(2-2)cccf⎣⎝⎠c⎦式中fcc——约束混凝土的抗压强度;εcc——约束混凝土的抗压强度对应的应变;fc——混凝土的棱柱体抗压强度;εc——混凝土强度对应的应变;m——经验系数,取m=4;frp——径向最大侧压力,对于多变形为等效最大侧压力,取值如公-16- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式(2-3)及公式(2-6)对于圆形截面:2tfrp=−()ννesfy(2-3)D−2t2⎛⎞f⎛⎞ff⎛⎞=+−′′⎜⎟cc+⎜⎟−⎜⎟cν0.23120.3582νν0.15244.8439.169(2-4)ee⎜⎟fe⎜⎟ff⎜⎟⎝⎠yy⎝⎠⎝⎠y32−−−642⎛⎞DDD⎛⎞⎛⎞ν′=×0.88110⎜⎟−×2.5810⎜⎟+×1.95310⎜⎟+0.4011(2-5)e⎝⎠ttt⎝⎠⎝⎠式中v——有混凝土填充时的钢管泊松比,取值如公式(2-4);eν——无混凝土填充时的钢管泊松比,钢管屈服时,ν=0.5;ssD——钢管的外直径;t——钢管的壁厚;fy——钢材的屈服强度。对于矩形截面:1.46()fc1.03fRrp=−6.5+0.12()fc(2-6)fy2b121(−ν)fyR=(2-7)2tE4πs式中R——钢管宽厚比参数,取值如公式(2-7);fc——混凝土的棱柱体抗压强度;fy——钢材的屈服强度;b——多边形钢管一条边的长度;t——钢管的壁厚;ν——钢材的泊松比,可取,ν=0.3;5Es——钢材的弹性模量,Es=×2.0610MPa。考虑套管作用的混凝土(约束混凝土)压碎点(ε,f),计算公式如下:cucuffZcu=−cc(εcu−εcc)(2-8)式中fcc——约束混凝土的抗压强度;εcc——约束混凝土的抗压强度对应的应变;fcu——约束混凝土的压碎处的强度;-17- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文εcu——混凝土强度对应的应变,当为圆截面时取值0.025,当为方截面时,按公式(2-12)取值;Z——混凝土本构下降段的切线模型,即斜率的绝对值,参考下面的公式(2-9)以及公式(2-11)取值。对于圆形截面,Z的计算公式为:⎧⎛⎞fc⎪0,Rt⎜⎟≤0.006⎪⎜⎟f⎝⎠y⎪⎪5⎛⎞ffcc⎛⎞110×−RR⎜⎟600,⎜⎟≥≤0.006,f283⎪tt⎜⎟ff⎜⎟y⎪⎝⎠yy⎝⎠Z=⎨(2-9)13.4⎪⎛⎞fy⎡⎤5⎛⎞fc⎛⎞fc⎜⎟⎢⎥110×−R⎜⎟600,Rf⎜⎟≥≤0.006,283≤336⎪283t⎜⎟fty⎜⎟f⎪⎝⎠⎢⎥⎣⎦⎝⎠y⎝⎠y⎪⎛⎞ff⎛⎞⎪110×−6RR⎜⎟cc6000,⎜⎟≥≥0.006,f336⎪tt⎜⎟ff⎜⎟y⎩⎝⎠yy⎝⎠fD2yRt=−31()ν(2-10)Et2s式中Rt——钢管径厚比参数,取值如公式(2-10);fy——钢材的屈服强度;fc——混凝土的棱柱体抗压强度;D——圆钢管的直径;t——钢管的壁厚;ν——钢材的泊松比,可取ν=0.3;5Es——钢材的弹性模量;可取Es=×2.0610MPa。对于矩形截面,Z的计算公式为:⎧⎛⎞fc⎪0,R⎜⎟≤0.0039⎪⎜⎟⎝⎠fyZ=⎨(2-11)⎪⎛⎞ff⎛⎞cc⎪23400RR⎜⎟⎜⎟−>91.26,⎜⎟⎜⎟0.0039ff⎩⎝⎠yy⎝⎠-18- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文⎧⎛⎞fc⎪0.04,R⎜⎟≤0.042⎪⎜⎟f⎝⎠y⎪2⎪⎪⎡⎤⎛⎞ff⎛⎞⎛⎞fcccεcu=−⎨14.5⎢⎥RR⎜⎟⎜⎟2.4⎜⎟⎜⎟+0.1160.042<,R⎜⎟⎜⎟<0.073(2-12)⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎠ffyy⎝⎠⎝⎠fy⎪⎪⎛⎞fc0.018,R⎜⎟≥0.073⎪⎜⎟f⎪⎩⎝⎠y式中R——钢管宽厚比参数,取值见上面公式(2-7);fc——混凝土的棱柱体抗压强度;fy——钢材的屈服强度。但是对于上面的公式,ε必须满足公式(2-13)的要求,即f必须处于受压cucu区域,其值始终是非正数。fccεεcu≤+cc(2-13)Z通过上面的公式已经可以确定4个参数,另外3个参数分别为:压碎处弹性模拟的损失系数:α。受拉极限:f,受拉软化阶段模量:E。由于受拉部tt分影响较小,所以可以取ff=10,EE=10,或是更小的值。α的取值为tcct001<≤α,可以根据实际情况调整,本文中取值为0.1。2.4本构模型的验证利用文献[43]中所给出的公式可以将处于约束作用下的混凝土的本构关系描述出来,但是文献主要是利用轴压实验的实验结果来得出约束混凝土的本构公式,本文中将进行的是动力时程分析,钢管混凝土柱将处于压弯的状态,为了保证本构模型的正确,进行了对本构模型的验证。选用文献[44]中所得出的实验数据进行模拟分析,文献[44]中利用四连杆机构进行钢管混凝土柱的压弯实验。采用的钢管为直径108mm,壁厚5mm的无缝钢管,屈服强度为327.8MPa。其中灌注的混凝土的标号为33.8。-19- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文对于单调荷载条件下的模拟结果如下图:45403530(kN)2520实验结果水平力15模拟结果1050010203040柱顶水平位移(mm)图2-3轴力为2T的单调加载模拟结果对比40353025(kN)20实验结果15水平力10模拟结果50010203040柱顶水平位移(mm)图2-4轴力为27T的单调加载模拟结果对比对于反复荷载条件下的模拟结果如下图:5040302010(kN)0-40-20-1002040水平力-20实验结果-30模拟结-40果-50柱顶水平位移(mm)图2-5轴力为27T的循环加载模拟结果对比-20- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从上图中可以看出本文所采用的本构模型所得出的模拟结果与文献中的实验结果基本吻合,说明该本构模型是可以应用于钢管混凝土结构的动力时程分析的。2.5本章小结本章主要对动力时程分析中材料的本构模型进行了研究。利用所采用的本构模型模拟了文献中的实验过程,发现模拟的结果与实验结果吻合较好,说明了该本构模型在动力分析中的正确性。-21- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第3章节点抗震性能实验研究及节点模型分析3.1引言对于框架结构而言,其节点的刚度问题是影响其地震响应的关键因素。本章将会从一个已进行的钢管混凝土节点抗震实验出发,分析钢管混凝土节点的刚度问题,并给出相应的节点模型。3.2试验原理及试件模型介绍原结构的梁跨度为10米,层高4米,柱受到的最大轴力是40500KN,钢管混凝土柱外径1200mm,壁厚25mm,含刚率0.88,采用Q345钢材,内填混凝土为C60,经计算,组合强度设计值为63.8MP,柱的极限承载力为72156KN,轴压比为0.561。试验中模型所选区域如图3-1:图3-1实验模型区域简化图通过对于试验器材的加载能力的考察,最后采用了1/5的比例模型进行缩尺试验。在试验过程中保证了含钢量,轴压比和材料强度不变对原节点进行缩小。模型的缩减按照经历相似原则进行缩减,即:(1)物理相似条件:模型与原型的物理条件相似,按照模型与原型的相应各点应力和应变间的关系相同。(2)几何相似条件:模型与原型各部分间的长度L互成比例,长度相似系数-22- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文即称模型比例,在实验设计的过程中,保证了长度、位移、应变等物理量相似系数间应该满足的关系。(3)边界相似条件:在模型的缩减过程中,保证了结构的边界条件相似,这之中包括了支承条件相似、约束情况相似、在边界上的受力情况相似等。按照以上的原则得到最终的模型如图3-2:图3-2最终模型图其中柱端与梁端均为铰接,按照轴压比不变取0.561,选择在试验中施加1200KN的轴力。柱采用219×6无缝钢管,C60高强混凝土;梁采用HRB400钢筋,C30混凝土。为加快试验进度,在混凝土中添加了早强剂,并分别浇注了5组15个立方体试件。这是因为加入早强剂后无法准确把握混凝土强度,对立方体试件进行抗压试验,可以得到试验时的混凝土准确强度。另外还为C30混凝土浇注了1组3个300×100×100的棱柱体,用于测量混凝土的弹性模量。对于钢管板材和钢筋也进行材性试验。最终用于试验的共两类3个试件,第一类牛腿长度为170CM共两个,分别用作柱端和梁端加载;第二类牛腿长度为110CM共一个,只进行柱端加载。3.3试件制作流程实验中试件进行如图3-3所示的加工过程,在加工完成后对其进行了梁端加载实验。-23- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图3-3试件加工流程图3.4加载系统及加载策略3.4.1轴力加载装置本试验采用的加载方式为梁端往复加载,轴力需保持一致,均为1200kN。考虑到反力架支撑能力限制等因素,加载装置均利用四连杆加载装置,置于试件顶端,再利用分配梁将竖向力分配两榀架子之上。首先将四连杆横梁与柱顶支座通过螺栓连接,再将钢轴穿入柱顶支座及盖板孔洞之间,实现铰接简化模型。此后,在四连杆横梁上端平行安放两个圆钢轴,使两个钢轴中间恰好位于柱顶上方,并在轴上安装小钢梁及千斤顶,以保证柱轴心加载。根据本试验轴力要求,选用2500kN千斤顶,在试验中利用油泵进行加压。轴力加载装置图如图3-4。图3-4轴力加载装置图-24- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.4.2竖向往复力加载装置对于加载试件,限制了柱顶水平位移,而在左右梁端进行往复加载。考虑试件承载能力,梁端采用2个30T推拉千斤顶,使其在梁下端利用螺栓固接于地面梁上,再通过连接件连接至梁端钢轴位置,使其可以自由转同,同时与推拉千斤顶协同工作。在试验过程中,利用油泵控制加载速度及力大小,使梁两端以相反的方向加载,保证力或位移控制阶段两边相一致。推拉千斤顶及梁端加载装置如图3-5。图3-5推拉千斤顶3.4.3加载策略流程利用油泵对250T千斤顶进行加载,当轴力达到1200kN时,保持轴力不变。同时,在加载过程中,为了避免试件整体变形导致梁端产生较大内力导致剪切破坏,在加载轴力的同时,控制梁端推拉千斤顶向下缩,控制其支撑力接近0。完成轴力加载后,同样参考预估梁端承载力定义力控制及位移控制阶段。在达到屈服前,采用力控制加载,每级进行单循环加载。当试件出现屈服后,采用位移控制,每级加载循环两次。直至承载能力明显下降,降至峰值荷载85%以下。在加载过程中,需保证两端加载效果一致。在力控制阶段,保证两端推拉力相同,在位移控制阶段,保证两端竖向上下位移一致。-25- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.5数据采集系统3.5.1力采集系统本实验采用了梁端加载的策略,由于在梁端是利用推拉千斤顶进行加载,其装置自身无法直接输出推拉力,因而在推拉千斤顶与梁端连接件之间连入30T力传感器。在加载前将力传感器借由桥盒连接北京波普采集仪,输出荷载值。力采集装置见图3-6,北京波普见图3-7图3-6力传感器图3-7北京波谱仪3.5.2位移采集系统为了在试验中监测试件各主要部分的变形情况,在试验进行前为试件设计了相应的位移采集装置。考虑到精度要求,主要采用高精度LVDT位移传感器,采用传感器量程包括100mm,50mm,20mm三种。高精度LVDT位移传感器按下图设计安装。柱顶位置处LVDT导线与作动筒控制系统相连,直接输出获得位移曲线。对于其它位置处LVDT位移计,采用北京波谱采集仪进行采集。LVDT-26- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的布置见图3-8图3-8LVDT布置图3.5.3应变采集系统为了获得试验过程中,钢筋及钢板等位置处的应变,试验中采用DH3816静态应变采集箱进行采集。桥路先用1/4桥连接,每10组应变片采用一个温度补偿片。在试验加载前,需将应变采集箱预热30分钟,以消除内部温度的影响,避免试验过程中结果发生漂移。3.6节点转角模型与实验数据对比参考了前面所讲到的节点转角模型,本文选择了相对简单的线性模型,不过考虑到单线型模型和双线型的模型都存在着一定的问题和缺陷。本文在折线性的节点模型基础上进行了改进,使用了一种自行研究的三折线计算模型,模型共分三段:弹性段,强化段,塑性段。具体如图3-9-27- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图3-9本文所选用节点模型的弯矩—转角曲线图中MU为转角的极限抗弯承载力,My为节点转角的屈服弯矩,θU,θy为对应的转角,θ为节点的极限转角。K为节点转角的初始刚度,节点初始刚度ai的取值为20倍的梁的线刚度。K为进入塑性阶段后的转角刚度,按公式(3-1)p[45]取值:K=0.1K(3-1)pi对于M的取值,为了满足框架结构抗震设计时的“强柱弱梁,强剪弱弯,y强节点弱构件”设计原则,节点处的屈服弯矩必须大于梁的屈服弯矩。而极限弯矩承载力M则按照公式(3-2)计算UMyM=(3-2)U0.85利用实验中的梁端加载试件的实验数据,得出了该试件的左梁节点的弯矩——转角模型,其与本文中使用的模型对比如图3-10。-28- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文252015理论模型节点弯矩10实验数值5000.00050.0010.00150.0020.00250.003节点相对转角图3-10模型与实验节点对比从图中的对比发现,实验中的节点刚度比本文中模型稍大一些,但是曲线整体的趋势还是比较吻合的。3.7半刚性节点的影响在框架结构设计中,梁与柱之间的连接构件,也就是节点部分起着在梁和柱之间传递弯矩和剪力(剪力和轴力之间的转换)的重要作用,是将框架结构[46-49]中荷载按照一定的方式进行分配的重要组成部分。节点设计不仅涉及节点自身的安全问题,也直接影响着他所连接的柱与梁的结构安全。所以研究节点区域的真实变形能力,不仅可以保证结构的安全和稳定,通过合理的设计还可以让节点合理的在梁柱间分配荷载,使结构设计的更为合理和经济。节点的研究有着重要的意义。传统分析和设计中,一般将框架结构的连接节点考虑成刚度无穷大的刚性节点或刚度为零的铰接节点。虽然对连接性能的这种理想化假设简化了框架结构的分析和设计,但采用理想的连接模型在很多情况下是不尽合理的,不能反映结构工作的实际情况,计算的误差较大,有时甚至会得到错误的结论。在实际工程中,框架结构的节点连接性能往往介于两者之间,为半刚性连接。按照完全刚接分析则夸大了节点约束的作用;按理想铰接分析则忽略了节点约束的影响,造成理论分析与实际结构受力的不一致。因此,为了合理预测框架结构的实际工作-29- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文性能,应在框架结构的分析和设计过程中充分考虑半刚性连接节点的影响。国内外的很多学者已经在半刚性连接框架结构的分析研究中取得了一些成果。而我国在此方面的研究相对起步较晚,目前我国现行的GB50017—2003《钢[50]结构设计规范》只是提到了半刚性连接的概念,并未详细说明如何实现半刚性连接的设计计算、要求标准等,因此有必要就半刚性连接对框架结构的影响进行深入的研究。目前,国内外对于半刚性节点已经做了大量的理论分析和实验研究,按照节点的类型和刚度等等条件也对节点划分了不同的等级。并且将刚性节点,半刚性节点,铰接节点进行了功能上面的区分。3.7.1国外规范的相关规定近几年来,世界各国对半刚性连接框架的几何和材料双重非线性研究非常重视。欧美等国已经明确规定节点有半刚性连接这种类型。欧洲规范EC3(1992)[51]按框架有、无侧移将框架连接分为刚性、半刚性和柔性(铰)连接3类。如图3-11所示图3-11欧洲规范节点分类图图中区域1为当节点刚度大于25倍的梁线刚度的区域认定为刚性节点,区域3为小于0.5倍梁线刚度的区域,认定为铰接节点。中间区域为半刚性节点。[52]美国钢结构学会(AISC,1986,1989)做出规定,容许应力设计(ASD)规范(AISC1989)列出三种类型的连接:-30- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(1)类型1或刚性连接,假定梁和柱之间的连接有足够的转动刚度,能保持相交构件之间原有的角度不变。(2)类型2或简支连接,假定结构承受重力荷载时,主梁和次梁只传递垂直剪力,不传递弯矩,可以自由转动。(3)类型3或半刚性连接,假定连接可以传递垂直剪力,也能够传递部分弯矩。3.7.2我国规范的相关规定我国钢结构设计规范(GB50017-2003)把框架结构分类为无支撑框架,强支撑框架和弱支撑框架三类。虽然在其中也提到了半刚性连接的概念,但是并未提及在设计中如何考虑其影响。对于无支撑框架,它的侧向刚度完全由框架本身提供,要求在它的构建连接处假定为完全刚性,但是这样就无形中增加了连接处节点的负担;对于强支撑框架,它的侧向刚度则由剪力墙或是其他的有效支撑体系提供,要求在它的构架连接处为完全的铰接,梁和柱只承担竖向荷载的作用,这样直接造成梁柱的截面设计困难,截面尺寸较大。显然,对我国的规范而言,应该更加合理的利用半刚性节点的特性进行设计。半刚性的节点不仅设计方便、费用较低,而且半刚性节点也能满足节点处的刚度要求。因此,目前我国对半刚性节点的研究仍是一个重要课题。3.7.3节点刚度对结构的影响上面讨论了节点刚度对结构的内力的影响,那么节点刚度对结构的整体刚度和抗震性能有怎么样的影响呢。为了研究节点刚度对结构的影响,分别建立了半刚性节点和刚性节点的模型,其中半刚性节点的节点刚度选用前面自行设计的节点模型,不过通过改变节点的初始刚度来分析节点刚度对结构的影响。选用的模型为18层模型,节点刚度分别0.1、0.5、2、5、15、20、25和30倍的梁线刚度。结果如下图3-11和图3-12从图3-11和图3-12可以看出,当节点采用半刚性节点进行分析和刚性节点进行分析的结果差距比较大,这说明当对结构进行动力分析时,模型的节点建立对结果的影响是比较大的。当采用刚结节点的方式建立模型的时候,结果会有较大的出入。下面将各个模型最大层间位移进行对比如图3-14和图3-15-31- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18161415倍线刚度1220倍线刚度1025倍线刚度层数30倍线刚度85倍线刚度62倍线刚度0.5倍线刚度40.1倍线刚度20010203040506070层间位移(mm)图3-12不同节点刚度模型在大震条件下的层间位移结果18161415倍线刚度1220倍线刚度1025倍线刚度30倍线刚度层数85倍线刚度62倍线刚度0.5倍线刚度40.1倍线刚度20012345678910层间位移(mm)图3-13不同节点刚度模型在小震条件下的层间位移结果-32- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文706050(mm)4030最大层间位移20100051015202530节点刚度倍数图3-14大震条件下最大层间位移的变化图10987(mm)654最大层间位移3210051015202530节点刚度倍数图3-15小震条件下最大层间位移的变化图从图3-14、图3-15以及表3-1中可以看出结构的最大层间位移随着节点刚度的变化而变化,在节点刚度达到15倍的梁线刚度时,对结构的影响基本就不变了。所以可以认为当节点刚度达到梁线刚度的15倍时既可以认为该节点为刚性连接,前面实验中的节点刚度为20倍,也符合这一结论。-33- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3-1节点刚度模型的最大层间位移变化率大震条件下小震条件下节点刚度最大层间位移与15倍模型的变最大层间位移与15倍模型的变倍数(mm)化率(mm)化率0.159.2875177.98%9.499178.17%0.541.924596.57%6.810899.45%227.3027528.01%4.400228.86%522.6466.18%3.62456.14%1521.328—3.4148—2020.926-1.88%3.3477-1.96%2520.727-2.82%3.316-2.89%3021.119-0.98%3.3727-1.23%利用表3-1中的数据,拟合了公式(3-3)和公式(3-4),利用这两个公式可以大致估算该结构在其他节点刚度条件下的最大层间位移,公式(3-3)为大震条件下的,公式(3-4)为小震条件下的。kk−−Δ=14.32ee2.311+31.240.415+21(3-3)大震kk−−Δ=2.37ee2.283+4.860.415+3.36(3-4)小震式中Δ大震——结构在大震条件下的最大层间位移;Δ小震——结构在小震条件下的最大层间位移;k——节点刚度相比于梁线刚度的倍数。3.8本章小结在本章中介绍了钢管混凝土节点实验的相关流程以及的到的实验结果,并且对实验结果也进行了分析。利用实验中的到的数据对节点的转角模型进行了与理论上的对比,结果发现与本文中使用的节点转角模型符合的比较理想。利用本文中的节点模型分析了节点刚度对结构整体抗震性能的影响并给出了该体系的层间位移的估算公式。-34- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章空心钢管混凝土框架结构有限元分析4.1引言本章主要是对模型建立过程中所涉及的问题进行分析研究,主要对半刚性节点的模型选取,和本文所采取的模型以及地震波选择进行探讨。另外,也对模型的尺寸的设计过程进行了阐述。最后将如何在ABAQUS软件中解决以上各个方面的问题进行了描述。4.2地震波的选择在选用地震波时,还应全面考虑地震动的三个要素,即地震动幅值、地震[53]动频谱和地震动的持续时间,并根据具体情况进行调整。地震动幅值需要按照相应的抗震设防烈度进行调幅,抗震设防烈度与地震峰值加速度的关系见下面的表4-1表4-1抗震设防烈度与地震峰值加速度的关系地震影响6度7度8度9度多遇地震1835(55)70(110)140罕遇地震——220(310)400(510)620注:括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区本文在动力时程分析中选用的是Elcentro波,其波形如图4-140003000)22000(mm/s100000.002.004.006.008.0010.0012.00加速度幅值-1000-2000-3000时间(s)图4-1ELcentro波的地震加速度波形图-35- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文地震波的选择应既能反映建筑物所在场地条件,又能最大反映建筑物在地[50]震作用下的受力和变形特点。因此本次地震波的选择主要考虑以下几个原因:(1)假定框架所在场地类别为III-IV类(按沿海地区),特征周期为0.45~0.65秒,本文所选用的Elcentro(1940NS)波的卓越周期约为0.5s两者比较接近,能够满足地震动频谱的选择要求。(2)所选用的Elcentro(1940NS)波包含了该地震波的最强部分。(3)Elcentro(1940NS)地震波在此之前的许多结构地震反应分析中被采用。因此采用Elcentro波进行模拟有利于与其他模拟结果进行参照。4.3空心钢管混凝土框架模型的建立过程4.3.1空心钢管混凝土框架结构模型的设计4.3.1.1材料的选用根据《空心钢管混凝土技术规程》的要求,钢管可采用Q235和Q345钢材,也可采用Q390和Q420钢材。一般构件可采用B级钢,高层建筑的柱和在-20℃以上工作的塔架,可采用B级钢,在低于-30℃工作的塔架结构,应采用C级钢。钢材质量应符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。钢管内的混凝土强度等级不应低于C30。混凝土的抗压、抗拉强度和弹性模量应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010采用。本文所选用的是Q345级钢材和C60级高强混凝土。4.3.1.2空心钢管混凝土单肢柱截面设计空心钢管混凝土单肢柱轴心受压时的组合强度设计值应按公式(4-1)至公式(4-6)计算:22fhh=++()1.212Bk11θθoCkho(1.1fc)(4-1)fyB=+0.17590.974(4-2)235fckC=−0.1038+0.0309(4-3)20.1αf0θ=ho1.1f(4-4)c-36- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Aαsα==oAc()1−ψ(4-5)Ahψ=()Ahc+A(4-6)式中θho——空心钢管混凝土构件的套箍系数设计值;α——空心钢管混凝土构件的含钢率,等于钢管面积A和管0s内混凝土面积A之比;cα——对应的实心钢管混凝土截面的含钢率;ψ——空心率;等于空心部分面积Ah和混凝土面积Ac与空心部分面积A之和之比;hfy、f——分别为钢材的屈服点和抗压强度设计值;fck、fc——分别为管内混凝土的抗压强度标准值和设计值;k——由于截面形状不同的紧箍效应折减系数;圆形和十六边1形截面取0.6,八边形截面取0.32,四边形截面取0.225。矩形截面应换算成等效正方形截面进行计算,等效正方形截面的边长为矩形截面的长短边长之乘积的平方根。对各种钢材和各种混凝土强度等级时k值皆同。1空心钢管混凝土轴压构件的承载力设计值应按公式(4-7)至公式(4-10)计算:Nk=kAf(4-7)02choh3.2A+3.7A12k=2(4-8)3.7αf0yA=1αα00fyc+−()1fk(4-9)(1−α0)fyA=2(4-10)αα00fyc+−()1fk抗震设计时,空心钢管混凝土构件轴心受压构件的承载力应按下式(4-11)验算;N0N≤(4-11)γRE式中A——空心钢管混凝土构件的组合截面面积,等于钢管和管内混ho凝土面积之和;-37- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文k——混凝土徐变折减系数;ck——可靠度修正系数,按公式(4-8)计算;2γ——抗震调整系数,柱子取0.8;REN——考虑地震作用组合的轴心压力设计值。对轴压构件和偏心率er/0≤.3的偏心受压构件,当承受永久荷载引起的轴0心压力占全部轴心压力的30%及以上时,应考虑混凝土徐变的影响,可将承载力乘以徐变折减系数k。其中,e是荷载作用的偏心距,r是圆构件的截面半径,c0非圆截面时,是等效圆截面的半径。4.3.3模型的简化和假定为了方便对空心钢管混凝土框架结构进行有限元分析,在计算和建立模型的过程作了如下的一些简化和假定:(1)因为对于整体结构的分析较为复杂且耗费时间,对于每榀框架刚度基本相同的纯框架结构,只选用其中的一榀框架按照平面框架的形式进行动力时程分析。(2)在模拟结构的刚度的过程中,将结构中的楼板所提供的刚度忽略,只将其自重荷载作为线荷载的形式加于梁上,对于忽略的楼板刚度则通过增加梁的刚度进行补足。(3)在实际工程中,空心钢管混凝土柱通常是分为几段,而后通过套筒或者法兰盘等连接方式进行连接。而本文在建模过程中将各段柱的连接一致设定为刚性连接,即认为空心钢管混凝土柱是一个整体。(4)在模型中,对于结构与基础的连接认为是刚性的,直接将首层的柱子与地面刚性连接。4.3.4模型建立和实现过程本文所建立的空心钢管混凝土框架结构模型分别是以节点刚度、截面类型和空心率为参数变化来建立的。由于使用的是杆系模型,所以在建模过程中相对于实体建模是比较方便。首先在part模块中建立三维梁单元,单位为毫米。使用B32单元定义钢管混凝土柱和钢梁,然后对梁单元划分4个单元,柱划分3个,如图4-2。-38- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4-218层模型网格划分然后在assembly模块中利用merge工具将分段建立的柱单元进行融合。在property部分内截面对钢管混凝土柱的钢管和混凝土分别建立,并赋予对应的单元,梁单元坐标按默认定义。在interaction部分进行接触和约束的定义,对于空心钢管混凝土柱,将前面分别建立钢管部分(图4-3a)和混凝土部分(图4-3b)约束在一起,采用tie约束的形式使钢管和混凝土俩者共同受力和协同变形,达到模拟钢管混凝土结构的实际工作状态(图4-3c)。a)钢管单元b)混凝土单元c)组合单元图4-3单元模型-39- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文对于半刚性节点的建立,在梁和柱的连接处使用连接器单元,在节点处定义局部坐标使连接器单元符合实际节点的转动方向(图4-4),对于节点刚度的取值可以参考欧洲钢结构规范中对半刚性的定义,本文中取值为等于20倍的梁线刚度。图4-4节点的半刚性处理然后施加重力荷载和地震激励,选取支座处的节点施加约束,约束地震激励方向外的自由度。定义重力荷载为线荷载,然后在梁上施加。定义重力荷载时,由于采用的是动力分析,所以在进行中立加载时要考虑加载的速度,过快的加载会导致结构产生较大的震动,会影响到结果的准确。所以对模型进行了3种加载方式,即分别用不同时间进行加载好来判断加载的速度应该选取怎样的数值。如图4-5所示,当采用3秒的时间进行加载时,其产生的震动较小,基本对结果不会产生过大影响。故重力荷载才用3秒的时长进行逐步加载。定义地震作用时,采用tabular的形式将地震动幅值输入,然后选取各个钢管柱脚为加载点将地震波施加上去。-40- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文0-51秒加载2秒加载-103秒加载(mm)-15-20顶点位移-25-30-3500.511.522.533.54时间(s)图4-5不同加载速率下的模型震荡创建分析步,首先创建加载分析步,因为要进行动力时程分析所以使用动力显示分析,时长为3s。然后建立地震分析步,时长为12。最后建立分析任务并提交运算,定义job,并带入子程序进行分析。4.4算例设计利用前面所介绍的方法对将要进行模拟的模型进行尺寸设计,所有的模型全部选用Q345钢材和C60高强度混凝土,层高统一为3m,模型跨数为两跨,荷载工况按照规范选取,恒荷载取值4kpa,活荷载取值为2kpa。4.5空心率对结构的影响对于空心钢管混凝土构件而言,空心率是一个非常重要的参数。对于空心钢管混凝土柱来说,空心率的增大,往往导致构件的延性下降。但是空心率对于结构的整体而言又有怎么样的影响呢?下面通过对比在不同空心率条件下结构的抗震性能来分析空心率对结构整体的影响。采用圆形截面进行分析,空心率取值为0至0.5,0即是代表结构为实心结构,其模拟结果如下:-41- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18160140.1120.2100.3层数0.480.56420051015202530层间位移(mm)图4-6不同空心率下的模型在大震条件下的层间位移结果1816140120.1100.20.3层数80.460.5420012345层间位移(mm)图4-7不同空心率下的模型在小震条件下的层间位移结果从图中可以发现,空心结构与实心结构的地震响应是基本相当,并且都满足规范中对结构地震弹塑性层间位移的要求。考虑到空心钢管混凝土构件具有易装配的特性,在工程中采用空心结构代替实心结构也是可行的。-42- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3025(mm)201510最大层间位移500.10.20.30.40.5空心率图4-8不同空心率下的模型在大震条件下的最大层间位移结果对比54.543.5(mm)32.521.5最大层间位移10.500.10.20.30.40.5空心率图4-9不同空心率下的模型在小震条件下的最大层间位移结果对比从上面两图对比发现,空心钢管混凝土框架结构随着柱截面的空心率的增大,结构的地震响应在逐渐减小。主要原因是应为在相同的荷载条件下,相同的轴压比条件下,随着空心率的增加,截面的含钢率增加,截面刚度增大,套箍系数增大,所以结构抗侧移能力增强,抗侧移刚度增大。利用图4-8以及图4-9中的数据拟合了公式(4-12)和公式(4-13),利用所拟合的公式可以估算该结构形式在其他空心率的条件下所产生的最大层间位移。公式(4-12)为大震条件下的,公式(4-13)为小震条件下的。Δ=−29.217ϕ(4-12)大震Δ=−4.712.79ϕ(4-13)小震式中Δ大震——结构在大震条件下的最大层间位移;-43- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Δ小震——结构在小震条件下的最大层间位移;ϕ——结构所选取的空心率。另外,随着空心率的改变,结构的整体刚度发生变化,薄弱层出现的层数也发生了变化。所以在实际工程中在设计空心钢管混凝土结构时可以通过选取合理的空心率来控制结构的抗震能力和薄弱层位置,以达到经济合理的目标。4.6截面形状对结构的影响空心钢管混凝土结构较常见的有圆形和方形截面,下面通过对比不同截面类型,来分析截面类型对结构整体的影响。空心率0.1时对比结果如下1816141210圆层数8方6420051015202530层间位移(mm)图4-10空心率为0.1的不同截面模型在大震条件下的对比图1816141210圆层数8方6420012345层间位移(mm)图4-11空心率为0.1的不同截面模型在小震条件下的对比图空心率为0.2时结果如下:-44- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18161412圆10方层数86420051015202530层间位移(mm)图4-12空心率为0.2的不同截面模型在大震条件下的对比图18161412圆10层数8方6420012345层间位移(mm)图4-13空心率为0.2的不同截面模型在小震条件下的对比图空心率为0.3时结果如下:18161412圆10层数8方64200510152025层间位移(mm)图4-14空心率为0.3的不同截面模型在大震条件下的对比图-45- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18161412圆10方层数8642001234层间位移(mm)图4-15空心率为0.3的不同截面模型在小震条件下的对比图从上面的图中我们可以看出,圆形截面比方形截面地震响应要大。这是因为在设计圆形和方形截面时,由于方形截面对于混凝土的脆性考虑较多,其套箍作用较小,这样就会导致方形截面比起圆形截面要大很多。所以其截面刚度也较大,但是这是基于使用了更多材料的条件下。4.7空心结构与普通结构的对比由于钢管混凝土结构出现较晚,所以在规范中对其高宽比以及最大适用高度等等抗震设计要求都是参照普通钢筋混凝土结构的相应数值。不同结构类型的高宽比限值,最大适用高度等等抗震参数是考虑抗震性能、经济性能和使用合理、地基条件以及震害经验等等因素制定的。但是空心钢管混凝土结构并没使用的如此广泛,那么只有通过对比空心钢管混凝土框架结构与普通钢筋混凝土框架结构之间的差异,才能得到其相关的参数。下面在相同荷载工况条件下,对比了普通钢筋混凝土框架结构与圆形、方形空心钢管混凝土框架结构的地震响应,结果如下:-46- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18161412RC10圆层数8方64200510152025层间位移(mm)图4-16普通钢混框架与空心钢管混凝土框架在大震条件下的对比图18161412RC10圆层数8方642001234层间位移(mm)图4-17普通钢混框架与空心钢管混凝土框架在小震条件下的对比图表4-2空心钢管混凝土结构与普通钢筋混凝土结构的最大层间位移对比大震条件下小震条件下结构类型最大层间位移对比普通结构的最大层间位移对比普通结构的(mm)变化率(mm)变化率圆截面空心钢管混20.9265.61%3.34773.86%凝土结构矩形截面空心钢管22.33612.72%3.572610.84%混凝土结构普通钢筋混凝土结19.815—3.2232—构-47- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从表4-2中可以看出,不论是圆形或者方形截面都只比普通钢筋混凝土结构的地震响应稍大。那么对于空心钢管混凝土结构而言,他的高宽比,最大适用高度等等抗震设计要求都可参考普通钢筋混凝土结构的相关要求。由于结构的最大使用高度涉及经济性等很多因数,主要是依赖经验值,为了得到空心钢管混凝土结构的最大使用高度的估算公式,本文以钢筋混凝土结构的最大使用高度为依据,认为在其它因数如经济性等一致的条件下,本文仅从结构在地震下的最大层间位移方面的比较,做了如公式(4-14)的假定来推导出空心钢管混凝土结构的最大使用高度ΔrcHhcfst−=Hrc(4-14)Δhcfst−式中Hhcfst−——空心钢管混凝土结构的最大使用高度;Hrc——钢筋混凝土结构的最大使用高度,取值见表4-3;Δ——空心钢管混凝土结构的最大层间位移,按公式(4-12)和公hcfst−式(4-13)计算;Δ——钢筋混凝土结构的最大层间位移,按表4-2中取值,在大rc震条件下为19.815,小震条件下为3.2232。分别在大震及小震条件下按公式(4-14)计算得出结构的最大使用高度,取两者的较小值作为空心钢管混凝土框架结构在该设防等级及空心率条件下的最大使用高度估算值。最终,空心钢管混凝土框架结构按公式(4-14)计算得到的最大使用高度如表4-4所示。表4-3钢筋混凝土框架结构的最大高度(m)设防等级结构形式6789框架结构60554525表4-4空心钢管混凝土框架结构的最大使用高度(m)设防等级空心率67890.1434032180.2464235190.3494537210.4534940220.557534324-48- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.8本章小结在本章中,对所设计的模型进行了动力时程分析,分析了空心率以及截面类型对空心钢管混凝土框架结构的影响。利用所得的结果拟合了该结构最大层间位移关于空心率变化的公式,并在此基础上给出了空心钢管混凝土框架结构结构在不同设防烈度条件下的最大使用高度的估算公式和估算值。-49- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结论本文对半刚性节点的模型类型进行了总结和分析,并且在此基础上进行适用于本文的半刚性节点模型的研发。利用所得半刚性节点模型,对空心钢管混凝土框架结构进行的动力时程分析。为了在ABAQUS软件中使用纤维梁模型,本文使用了本中心开发的基于ABAQUS软件的子程序。所开发的子程序充分体现了混凝土本构关系中的受拉软化和刚度退化等特性。在ABAQUS软件中解决了如何使用半刚性节点的问题,利用所建立的模型对空心钢管混凝土框架结构进行了关于高度和高宽比的分析。得到如下的结论:(1)通过对节点实验数据的研究得到了理论节点模型,并利用得到的节点模型分析了节点刚度对结构抗震性能的影响,发现在节点刚度达到15倍的梁线刚度的条件后基本认为节点即是刚结节点,节点刚度在增大也不会对结构有很大的影响,相反在节点刚度小于15的梁线刚度的条件时,节点刚度对结构的影响则是很大,并且随着节点刚度的减小,这一趋势的增大速度逐渐加快。在最后还给出了该结构在其他节点刚度下的层间位移估算公式。(2)利用模型分析了空心率和截面类型对结构的影响。发现随着空心率的增加结构的抗侧移能力增强、整体刚度增大、地震响应减小。并且结构随着空心率的变化,地震响应的变化也呈现一种线性的趋势。对比不同截面的结构发现,矩形截面相比圆形截面在相同的承载力条件下有着更好的抗震性能。(3)通过对比空心钢管混凝土结构和实心钢管混凝土结构发现,在相同荷载条件下和相同轴压比条件下。空心钢管混凝土结构的整体刚度比实心的要大,那么利用得出的两者的比较变化率,本文给出了空心钢管混凝土框架结构的最大适用高度的估算公式。本文虽然对空心钢管混凝土框架结构进行了大量的模型分析,但是作者认为还应对其进行如下问题的研究。(1)由于本文中采用的为实心钢管混凝土节点实验的数据对节点进行的分析研究,应当对空心钢管混凝土节点的刚度问题进行试验研究,通过分析试验得到的数值来对其节点进行模拟。(2)对不同的系数对高度和高宽比的影响进行分析,本文中对于轴压比取值基本保持一定水准。可以通过变换轴压比,来分析轴压比对于结构的抗震性能影响。-50- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文参考文献1钟善桐.钢管混凝土结构.第3版.清华大学出版社,2002:1~342韩林海.钢管混凝土结构理论与实践.第二版.科学出版社,2007:1~223钟善桐.钢管混凝土统一理论-研究与应用.清华大学出版社,2007:1~104蔡绍怀.现代钢管混凝土结构.修订版.人民交通出版社,2003:1~255戴学新.钢管高强混凝土框架抗震性能的非线性有限元分析.天津大学硕士学位论文.2002:8~96李俊峰.浅谈钢管混凝土结构的应用与优缺点.包钢科技.2001,27(3):92~957徐国林.薄壁空心钢管混凝土结构.杭州:浙江省电力设计院,1996:1-11.8钟善桐.钢管混凝土结构研究新进展.钢结构.2009,5(24):54~589钟善桐.空心钢管混凝土的应用与研究.工业建筑.2004,增刊:223~23010程斌,薛伟辰.基于性能的框架结构抗震设计研究.2003,23(4):50~5511徐培福.复杂高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社.2005:30~6812许开成,张安哥,陈梦成.钢管混凝土框架结构高宽比限值的研究.铁道建筑.2009.11:110-11313许开成,张安哥,黄宏.钢管混凝土框架结构高宽比限值的影响因素.铁道建筑.2008.11:109-11014张荣兰,孟晓.关于框架结构的适用层数与高宽比的讨论.工业建筑.1999.29(12):44-4615M.Barakatm,W.F.Chen.PracticalAnalysisofSemi-rigidFrames.EngineerJournal,1990,27(2):54-68.16L.Xu,Y.Liu.StoryStabilityofSemi-bracedSteelFrames,JournalofConstructionalSteelResearch,2002,58(4):467-491.17N.Kishi,W.F.Chen,Y.Goto.EffectiveLengthFactorofColumnsInSemi-rigidandUnbracedFrames.JournalofStructuralEngineering,1997,123(3):313-320.18M.J.Frye,G.A.Morris.AnalysisofFlexiblyConnectedSteelFrames.CanadianJournalofCivilEngineer,1976,3:350-352.19S.W.Jones,P.A.Kirby,D.A.Nethercot.ColumnswithSemi-rigidJoins.JournalofStructuralDivision,1983,109(4):1067-1069.20A.Colson,J.M.Louveau.ConnectionsIncidenceontheInelasticBehaviorofSteelStructures.EuromenchColloquium,1983,174(October).-51- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文21W.F.Chen,N.Kishi.Moment-RotationRelationsofSemi-rigidConnectionswithAngles.J.Struct.Engrg,1990,116(7):1813-1834.22E.M.Lui,W.F.Chen.AnalysisandBehaviorofFlexibly-jointedFrames.EngineeringStructures,1986,8(2):107-118.23M.Satosh,M.Chiaki,EvaluationFormulaofCompressiveStrengthofCentrifugalConcreteFilledSteelSquareTubularColumns.B.JournalofStructuralEngineering,1997,43(B):581-586.24M.D.O’Shea,R.Q.Bridge.TestonCircularthin-walledSteelTubesFilledwithMediumandHighStrengthConcrete.AustralianCivilEngineeringTransactions,1998,40:15-27.25L.Storozhenko,V.Butsky,O.Taranovsky.StabilityofCompressedSteelConcreteCompositeTubularColumnswithCentrifugedCores.J.Construct.SteelRes.,1998,46(1):484.26张素梅,钟善桐.空心钢管混凝土受弯构件理论分析方法.哈尔滨建筑工程学院学报.1991,24(4):32~3727王建华.薄壁离心钢管混凝土电杆变形的简化计算.中国电力.1999,32(7):44~4628曲晨,金伟良.离心钢管混凝土构件扭转弹塑性刚度分析.哈尔滨工业大学学报.2003,35,增刊:140~14329钟善桐,徐国林.空心钢管混凝土轴压构件的工作性能.哈尔滨工业大学学报.2006,38(9):1479~150330支正东,张大长,陈怀亮.空心方钢管混凝土轴压力学性能的试验.南京工业大学学报.2007,29(4):68~7231王宏伟,徐国林,钟善桐.空心钢管混凝土长柱轴压性能的试验研究.工业建筑.2006,32(12):69~7232Y.M.Alostaz,S.P.Schneider.AnalyticalBehaviorofConnectionsToConcret-filledSteelTubes.J.Construct.SteelRes.,1996,40(2):95-127.33C.T.Cheng,L.L.Chung.SeismicPerformanceofSteelBeamsToConcrete-filledSteelTubularColumnConnections.JournalofConstructionalSteelReach,2003,59:405-426.34尧国皇.钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理研究.福州大学博士论文,2006:58-6535刘威.钢管混凝土局部受压时的工作机理研究.福州大学博士论文,2005:56~60-52- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文36刘威.ABAQUS分析钢管混凝土轴压性能的若干问题研究.哈尔滨工业大学学报.2005,37(增刊):157~16037E.Ellobody,B.Young.DesignandBehaviourofConcrete-filledCold-formedStrainlessSteelTubeColumns.EngineeringStructures,2006,28(5):716-728.38E.Ellobody,B.Young,D.Lam.BehaviourofNormalandHighStrengthConcrete-filledCompactSteelTubeCircularStubColumns.JournalofConstructionalSteelResearch,2006,62(7):706-71539张凤亮,查晓雄,倪艳春.空心圆钢管混凝土柱延性系数的研究.建筑科学.2009,25(9):9~1340庄茁,张帆,岑松等.ABAQUS非线性有限分析与实例,科学出版社:2005,1~2,35~4041石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解.机械工业出版社,2007:1~542江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析.清华大学出版社,2005:225~22643K.A.S.Susantha,H.B.Ge,T.Usami.Uniaxialstress–strainrelationshipofconcreteconfinedbyvariousshapedsteeltubes.EngineeringStructures,2001,23(10):1331~1347.44屠永清.钢管混凝土压弯构件恢复力特性的研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.1994:98~10445石文龙,李国强,叶志明,刘秀华.平端板连接半刚性梁柱组合节点的弯矩-转角模型.沈阳建筑大学学报.2009,25(3):414~42046A.Azizinamini.InitialStiffnessofSemi-rigidSteelBeam-to-columnConnections.ConstructSteelResearch.1987,8:71-90.47A.S.James,T.L.Roberto.BoltedSteelConnections:TestsonT-stubComponents.JournalofStructuralEngineering,2000,126(1):50-56.48MA.Hadianfard,R.Razani.EffectsofSemi-rigidBehaviorofConnectionsintheReliabilityofSteelFrames.StructuralSafety,2003,25(2):123-138.49刘金宇,陈东兆.半刚性连接对钢框架结构受力性能的影响.低温建筑技术2009,6:67-6950中华人民共和国建设部.GB50017钢结构设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2003.51Cen,Eurocode3:DesignofSteelStructures-part1-8:designofjoints.2005.Brussels.-53- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文52李琪琳.连续倒塌中钢框架参数分析与钢混楼板碰撞仿真分析.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2008:8~1053林东欣.钢管混凝土框架拟动力地震反应试验研究.福州大学硕士学位论文.2000:21~24-54- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文攻读学位期间发表的学术论文1查晓雄,余敏,于磊.钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法及应用.发明类专利,201010213005.4,2010.-55- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《空心钢管混凝土框架结构抗震性能研究》,是本人在导师指导下,在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字:日期:年月日哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书《空心钢管混凝土框架结构抗震性能研究》系本人在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨工业大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨工业大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅,同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国知识资源总库》。本人授权哈尔滨工业大学,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于(请在以上相应方框内打“√”):保密□,在年解密后适用本授权书不保密□作者签名:日期:年月日导师签名:日期:年月日-56- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文致谢本文的研究工作是在导师査晓雄教授指导下完成的。査老师培育学生悉心指导,辛勤耕耘;科研上锐意创新,严谨求实;生活上崇尚节俭。从选题到有限元模型设计阶段,导师都给予指导和帮助,在整个学习过程中大力支持、信任,都使我得到很好的锻炼,收获很多。尤其需要特别指出的是,在有限元模拟阶段,査老师在百忙之中更是全程跟踪,作了详细的指导,对具体的操作办法进行了有效而又科学的点拨,此所谓传道受业解惑。本文顺利完成之际,向尊敬的导师査晓雄教授致以崇高的敬意和衷心的感谢。在研究生学习期间,城市与土木工程学科部的老师孜孜不倦教授专业课,并且介绍各领域的前沿研究,不但学习了专业课程,还开阔了视野,在此,向所有付出过辛勤劳动的老师表示感谢。感谢实验室余敏博士、于航博士对有限元程序调试过程中提供的帮助,也感谢秦培成、尹静、王洪欣、王海洋、王小璐、刘轶翔给予的帮助。同时感谢实验室及班上一切给予过帮助的老师与同学。另外感谢小学、中学、大学一直关注我成长的几位老师,是你们的关注和鼓励,让我有了战胜困难和前行的勇气,本文的成果也有你们的功劳。感谢父母始终如一的支持与无私的爱,感谢你们信任、鼓励和爱护。感谢母校哈尔滨工业大学,在哈工大的学习和生活的时间,是我成长的重要阶段,在这里,我受益匪浅。另外在这里还感谢中国建筑第五工程局有限公司在“钢混结构无焊接连接节点开发应用研究”这个项目中提供的支持。-57-
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硕士学位论文空心钢管混凝土框架结构抗震性能研究SEISMICRESPONSEANALYSISONCENTRIFUGALHOLLOWCONCRETE-FILLEDSTEELTUBULARFRAMESTRUCTURES于磊哈尔滨工业大学2010年12月 国内图书分类号:TU375/TU398+.9学校代码:10213国际图书分类号:624密级:公开硕士学位论文空心钢管混凝土框架结构抗震性能研究硕士研究生:于磊导师:査晓雄教授申请学位:工学硕士学科:土木工程所在单位:深圳研究生院答辩日期:2010年12月授予学位单位:哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex:TU375/TU398+.9U.D.C:624DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringSEISMICRESPONSEANALYSISONCENTRIFUGALHOLLOWCONCRETE-FILLEDSTEELTUBULARFRAMESTRUCTURESCandidate:YuLeiSupervisor:Prof.ZhaXiaoxiongAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:CivilEngineeringAffiliation:ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence:December,2010Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要空心钢管混凝土结构作为钢管混凝土结构的一个分支,由于其出色的经济性和易装配性,目前被大量应用于实际工程中,并且在去年颁布了《空心钢管混凝土结构技术规程》。目前对于该规程中关于框架结构的最大适用高度以及高宽比限值研究不够,仅仅是参考钢筋混凝土结构的相关要求来制定的。有必要对其进行实际的验算。另外,空心钢管混凝土框架结构梁柱节点刚度对空心钢管混凝土结构的抗震性能影响很大,也值得研究。本文针对以上问题做了如下研究:(1)利用以进行的钢管混凝土节点实验的实验数据,对空心钢管混凝土节点的弯矩——转角模型进行了分析,并将试验中的得到数据与本文中所设计的节点模型进行了对比。另外,利用所得到的转角模型分析了节点刚度对框架结构的抗震性能的影响(2)在大型有限元分析软件ABAQUS软件中建立了空心钢管混凝土框架结构的纤维梁模型,并且在节点处增设了本文中所设计的半刚性节点模型,对半刚性节点性质进行了模拟。通过改变结构的节点刚度、空心率和截面类型,模拟分析了以上因素对空心钢管混凝土框架结构抗震性能的影响。(3)通过建立普通钢筋混凝土和空心钢管混凝土的框架结构模型,并对比其在各个地震条件下的地震响应,分析《空心钢管混凝土结构技术规程》中的相关条款。关键词:空心钢管混凝土最大适用高度高宽比半刚性节点-I- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractCurrently,centrifugalhollowconcrete-filledsteeltubularstructure,asabranchoftheconcrete-filledsteeltubularstructure,havebeenwidelyusedinactualprojectsbecauseofitsexcellenteconomyandeasy-assembly,andthe"TechnicalSpecificationforhollowconcrete-filledsteeltubularstructures"hasbeenissuedlastyear.Atpresenttherearenotenoughresearchonthemaximumheightandtheheight-widthratiofortheframestructure,the"TechnicalSpecificationforhollowconcrete-filledsteeltubularstructures"onlymakethemastherelevantrequirementsofreinforcedconcretestructures.Soitisnecessarytocarryouttheactualcheckingofthem.Inaddition,thesemi-rigidjointsalsohaveagreatimpactontheseismicperformanceofcentrifugalhollowconcrete-filledsteeltubularstructures,soitisworthstudying.Themaincontentsofthispaperareasfollow:(1)Basedontheexperimentaldataoftheconcrete-filledsteeltubularjointexperiment,thispaperanalysisthemoment-rotationmodelofthehollowconcrete-filledsteeltubularstructurejoint,andcomparethesemi-rigidjointmodel,whichisdevelopedinthispaper,withtheexperimentdata.Byusingthesemi-rigidjointmodel,thispaperanalysishowthesemi-rigidjointaffecttheseismicresponseoftheframestructure.(2)Thispaperestablishthehollowconcrete-filledsteeltubularfiberbeammodelinthefiniteelementanalysissoftwareABAQUS,andsimulatethesemi-rigidjointpropertybysettingthesemi-rigidjointinthemodel.Bycomparingtheseismicresponseofthemodelwhichhavedifferentjointstiffness,hollowratioandsectiontype,thispaperanalysishowthejointstiffness,hollowratioandsectiontypeeffectthewholestructure.(3)BycomparingtheseismicresponseoftheRCframemodelandthecentrifugalhollowconcrete-filledsteeltubularframemodel,thispapertestandverifytherelatedarticlesinthe"TechnicalSpecificationforhollowconcrete-filledsteeltubularstructures".-II- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Keywords:centrifugalhollowconcrete-filledsteeltubular,themaximumheight,theheight-widthratio,thesemi-rigidjoints-III- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要...................................................................................................................IAbstract...............................................................................................................II目录................................................................................................................IV第1章绪论.........................................................................................................11.1空心钢管混凝土结构研究背景.................................................................11.1.1钢管混凝土的应用...............................................................................11.1.2空心钢管混凝土...................................................................................31.1.3地震的危害...........................................................................................41.2研究现状....................................................................................................51.2.1高层结构抗震的研究现状...................................................................51.2.2影响结构高度和高宽比的因素...........................................................61.2.3半刚性节点的研究现状.......................................................................91.2.4空心钢管混凝土结构的研究现状.....................................................111.2.5空心钢管混凝土构件及节点抗震性能的研究现状..........................121.3本文的主要研究内容..............................................................................13第2章钢管混凝土的本构关系........................................................................142.1引言..........................................................................................................142.2纤维梁模型..............................................................................................142.3材料的本构关系......................................................................................142.4本构模型的验证......................................................................................192.5本章小结..................................................................................................21第3章节点抗震性能实验研究及节点模型分析............................................223.1引言..........................................................................................................223.2试验原理及试件模型介绍.......................................................................223.3试件制作流程..........................................................................................233.4加载系统及加载策略..............................................................................24-IV- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.3.1轴力加载装置.....................................................................................243.3.2竖向往复力加载装置.........................................................................253.3.3加载策略流程.....................................................................................253.5数据采集系统..........................................................................................263.4.1力采集系统.........................................................................................263.4.2位移采集系统.....................................................................................263.4.3应变采集系统.....................................................................................273.6节点转角模型与实验数据对比...............................................................273.7半刚性节点的影响..................................................................................293.7.1国外规范的相关规定.........................................................................303.7.2我国规范的相关规定.........................................................................313.7.3节点刚度对结构的影响.....................................................................313.8本章小结..................................................................................................34第4章空心钢管混凝土框架结构有限元分析................................................354.1引言..........................................................................................................354.2地震波的选择..........................................................................................354.3空心钢管混凝土框架模型的建立过程...................................................364.3.1空心钢管混凝土框架结构模型的设计.............................................364.3.3模型的简化和假定.............................................................................384.3.4模型建立和实现过程.........................................................................384.4算例设计..................................................................................................414.5空心率对结构的影响..............................................................................414.6截面形状对结构的影响...........................................................................444.7空心结构与普通结构的对比...................................................................464.8本章小结..................................................................................................49结论.................................................................................................................50参考文献.............................................................................................................51攻读学位期间发表的学术论文..........................................................................55哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明......................................................56-V- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书......................................................56致谢...................................................................................................................57-VI- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1空心钢管混凝土结构研究背景1.1.1钢管混凝土的应用进入90年代以来,我国的建筑逐渐向着高层和超高层发展,建筑高度不断刷新。比如深圳赛格广场292米(图1-1),深圳地王大厦(信兴广场)384米(图1-2),上海金茂大厦421米(图1-3)。图1-1深圳赛格广场图1-2深圳地王大厦-1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-3上海金茂大厦随着建筑高度的刷新,建筑物本身也向着大跨度和大空间的方向发展。这样就对建筑物的抗震要求及受力形式提出了更高的要求,然而传统的钢筋混凝土结构及纯钢结构就出现了很多问题。比如钢筋混凝土结构的结构比重大,在高层建筑和在较大的情况下通常会导致截面尺寸较大。然而大体积混凝土浇注复杂,施工速度低。另一方面,虽然钢结构自身的比重较轻,在高层设计中可以减轻自重荷载。但是钢材本身造价较高,本身的耐腐蚀性和抗火性又很差。就在这时在高层建筑设计中采用了一种新型的结构技术——钢管混凝土结构[1-4]。钢管混凝土是一种由在钢管内通过浇灌混凝土完成的的结构形式。比起传统的结构形式,它充分发挥了组合结构中的钢材和混凝土两种材料的优点及弥[5,6]补了两种材料的缺点。这样就决定了它在高层建筑应用中的一些优点:(1)钢管混凝土柱承载力高。试验证明,钢管中混凝土由于受到钢管约束,使其处于三向应力的状态,这样的三向应力状态令钢管混凝土结构中核心混凝土的抗压能力比钢筋混凝土柱中的同等级横混凝土显著提高。同时由于内部混凝土对外部钢管屈曲的约束,使之和普通的钢柱相比,钢管本身也不会产生局部失稳问题。通过两种材料之间相互约束,完美的解决了两种材料单独使用时的弱点,并且互补效果使钢管混凝土成为理想的受压构件。(2)增加构件和结构的延性及抗震性能。由于钢管对内部核心混凝土的约束作用,避免了核心混凝土的脆性破坏,从而增加构件的塑性和延性,因而其抗震性能也比普通钢筋混凝土结构要好。-2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(3)可以减小梁柱截面尺寸,增加建筑使用空间。由于钢管混凝土柱承载力高,不但柱截面小,还可以采用大柱网、大空间的结构体系。另一方面,和钢筋棍凝土结构相比,它可以不受含钢率的限制,而且由于结构自重减小,地震作用引起的地震反应也相应减小,这对于结构抗震是大大有利的。(4)可以降低地基基础造价。由于结构自重的大幅度降低,基础截面尺寸也相应减小,从而降低基础造价。(5)节省支模的工序,缩短施工周期。和钢筋混凝土结构相比,钢管可以兼作柱的外模和临时支撑,免去了绑钢筋、支模和拆模等工序;而且柱内无钢筋,混凝土浇灌也相对简单的多,可以做到多层一次施工,并能更好的配合施工中泵送顶升的技术;在高层建筑地下室的施工中,还可以采用先进的逆作施工法,加快工程进度。(6)是高层建筑中应用高强混凝土的一种最经济有效的形式。钢管对混凝土的约束作用能有效的克服高强混凝土的脆性,而且钢管内无钢筋骨架,便于浇筑高强混凝土,施工便捷,所以既能够真正发挥高强混凝土的作用,又不多费钢材。同时,钢管可以将柱内外混凝土完全分开,柱内采用高强混凝土,梁板采用低等级混凝土,内外互不干扰,无交错浇灌的麻烦,扩大了高强混凝土的应用范围。钢管混凝土结构是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋钢筋混凝土结构和钢结构的基础上演变和发展起来的。由于钢管混凝土结构是一种新型结构,所以国内外的学者对于这种结构的静力及动力性能十分关注。1.1.2空心钢管混凝土[7-8]空心钢管混凝土结构h-cfst(hollowconcrete-filledsteeltube)是钢管混凝土结构的一种重要的分支,空心钢管混凝土构件是通过将混凝土浇灌与外套钢管内部,然后通过使用离心设备进行高速离心而成的组合结构。空心钢管混凝土构件除了具备了钢管混凝土结构的普遍特性外,还有着自己特有的优点:(1)自重轻,由于空心钢管混凝土构件是由离心设备离心而成的,所以内部是中空的。对比普通钢管混凝土构件,空心钢管混凝土构件自重更为轻便。方便运输和吊装。(2)可以预制。空心钢管混凝土构件可以进行大批量的预制,通过工厂预制,可以减少施工现场作业。不仅如此,由于是在工厂进行的工业化的,标准化的生产,比起现场浇灌的构件,空心钢管混凝土构件的质量可以得到较好的保证。-3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文鉴于空心钢管混凝土结构的上述优点,使之在电力系统范围内得到了广大好评和应用,表1-1中是近年来空心钢管混凝土结构在输变电塔工程中的应用[9]。表1-1近年来空心钢管混凝土在工程中的应用工程名称地区建成年份应用范围500KV郑州变电所郑州1988年500KV设备构架220KV上古林变电所天津1989年220KV构架220KV新塘沽变电所天津1990年220KV构架500KV安定变电所北京1990年500KV和220KV构架500KV兰亭变电所绍兴1990年220KV构架220KV曹家变电所辽宁1992年220KV构架110KV新甸变电所浙江1992年110KV,35KV主变电设备萧山发电厂杭州1992年110KV高型,220KV中型及主变电构件对比传统的预应力钢筋混凝土塔和全钢杆塔有着明显的优势:(1)对比预应力钢筋混凝土塔,空心钢管混凝土结构不存在着混凝土开裂的问题。并且可以提高结构的可靠度,延长使用寿命。同时,空心钢管混凝土结构的抗震和抗冲击能力要远远优于预应力钢筋混凝土结构。(2)和全钢杆塔对比,可以节省钢材50%左右,大大降低了成本。而且我国又是一个铁矿资源不丰富的国家,使用空心钢管混凝土结构也可以节省矿产资源,保护自然环境。由此可见在输变电塔工程中采用空心钢管混凝土结构有着明显的优势,但是由于,空心钢管混凝土结构的受力状态复杂,还应对其进行大量的实验和理论研究。1.1.3地震的危害世界上每年有10000人死于地震。联合国教科文组织(UNESCO)的调查显示:自1926年到1950年,地震带来的经济损失高达1000亿美元。在此期间,位于中亚的两个城镇和200个村庄被毁。阪神大地震、唐山大地震等给人类生-4- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文命财产和安全造成了巨大的损害。2008年发生的5.12汶川特大地震,那些日子看见铺天盖地的地震报道,感受到的是丧失亲人、同胞之痛、地震给人们的生活、生命带来巨大的威胁。其中北川县城变成一片废墟,映秀镇的人口损失达到2/3。今年4月14日发生的玉树7.1级特大地震虽然震级较汶川地震小,但是仍然带来了无法估计的损失和人身伤亡。表1-2中是我国建国以来发生的7级以上特大地震表1-2我国近年来发生的特大地震地震名称地震时间震级云南大关地震1974年5月11日7.1级辽宁海城地震1975年2月4日7.3级河北唐山地震1976年7月28日7.8级云南丽江地震1996年2月3日7.0级青海昆仑山地震2001年11月14日8.1级四川汶川地震2008年5月12日8.0级青海玉树地震2010年4月14日7.1级在这些发生过的特大地震中,除了一些发生在人烟稀少地区的地震,或者是事先已经预测出,并且进行了人员撤离工作的地震外,只要发生的人口较密集地区,都无一例外的导致了大量的人身伤亡情况,并且伴随着大量的经济损失。由于地震的发生的本身通常的无法预测的,并且也伴随着一定的突发性。所以无论是人民生活所必须的民用住宅还是维系国家命脉的工业建筑都必须能够禁受地震的冲击,这样才能减少地震带来的危害。1.2研究现状1.2.1高层结构抗震的研究现状近年来,地震工程学者从不同的角度致力于高层结构抗震设计理论的发展与完善,其中最引人注目的是以结构性能评价为基础的抗震设计理论-5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(Performance—basedSeismicDesignTheory)和基于结构性能的地震工程学[10](Performance—basedSeismicEngineering)的发展。基于性能的抗震设计理论以结构抗震性能分析为基础。它针对每一种设防水准(例如50年超越概率为63.2%、10%和2%的地震动),将结构按照抗震性能的不同要求划分成不同等级(如弹性反应结构、延性反应结构、充分发挥延性的结构、有限延性的结构),实际上这就是我国规范中按结构类型的不同划分的抗震等级。设计者可以根据业主的要求(或向业主推荐),采用相对应的结构抗震等级和合适的结构抗震措施进行设计,使结构在各种水平地震作用下的破坏程度能够达到业主所选择并能够承受的要求,这样的设计也是从结构抗震性能的角度进行的最优化设计。1.2.2影响结构高度和高宽比的因素[11]高层建筑的高宽比和高度是对结构刚度和整体稳定的宏观控制指标。下面从几方面分别说明高宽比和高度两者的改变对钢管混凝土框架结构的影响情[12-14]况。框架结构在竖向荷载与在水平荷载作用下的变形是完全不同的,如图1-4、图1-5所示。从两图的对比来看,在框架结构在竖向荷载作用下框架的变形是与框架的层数的多少没有关系的,但在当框架结构处于水平荷载的作用下时,当框架结构的跨度不变,随着框架结构层数的增加,也就是高宽比的增大,框架结构的变形与框架结构的层数多少有极大的关系。基本上来说,框架结构层数越多,在地震作用下产生的水平位移往往就越大,框架结构的内力也往往随着层数或高宽比的增加而快速增长。框架结构的侧移有两部分组成,一部分是由框架柱本身的剪切变形引起的柱子的弯曲如图1-4(a),另一部分是由框架柱之间轴向变形不同M引起的整体的弯曲,如图1-5(b)。但是一般情况下都是底层层间总位移δ最大,向上逐渐减小,结构呈现“剪切型”。但是柱轴向变形在底层最小,底层的侧移也最小,所以当层数增加时,轴向变形引起的整体弯曲逐渐积累,柱子之间的轴向N变形的差值增大,因而愈到上层总侧移δ也愈大,结构就是呈现“弯曲型”。当高宽比较大时,柱轴向变形引起的整体弯曲不可忽略,轴向变形引起的侧移呈[12-14]“弯曲型”,在框架顶部的层间侧移较大。-6- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[14]图1-4框架在竖向荷载下的变形a)柱弯曲变形b)柱轴向变形[14]图1-5框架在水平荷载下的变形但是在高层结构设计中,结构的侧向位移成为了必须进行限制的因素。首先,如果结构本身的侧向位移过大,所导致P-Δ效应会使结构出现突然倒塌的状况。其次为了使结构构件在正常使用极限状态条件下都处于弹性阶段,结构本身不能出现较大的变形。另外,结构侧向位移较大也会使高层建筑中的居住者产生较大的不适感。因此,我国规范对结构的水平位移提出了限制要求,主要是采用了层间位移角作为限制条件。我国《建筑抗震设计规范》GB50011-2001中对不同结构在多遇地震和罕遇地震条件下的层间位移角作了要求,在多遇地震的条件产生的弹性层间位移角不得超过表1-3中的数值,在罕遇地震的条件下产生的弹塑性层间位移角不得超过表1-4中的数值。-7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表1-3抗震规范对弹性层间位移角的限值结构类型[θe]钢筋混凝土框架1/550钢筋混凝土框架—抗震墙、板柱—抗震墙、框架—核心筒1/800钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/1000钢筋混凝土框支层1/1000多、高层钢结构1/300表1-4抗震规范对弹塑性层间位移角的限值结构类型[θe]单层钢筋混凝土柱排架1/30钢筋混凝土框架1/50钢筋混凝土框架—抗震墙、板柱—抗震墙、框架—核心筒1/100钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/100钢筋混凝土框支层1/120多、高层钢结构1/50对于本文中的空心钢管混凝土框架体系,在《空心钢管混凝土结构技术规程》(CECS254:2009)中也对弹性层间位移角和弹塑性层间位移角作了如表1-5和表1-6的规定。本文将会按照《空心钢管混凝土结构技术规程》中所做的规定,对结构体系进行在多遇地震和罕遇地震条件下的刚度分析。表1-5空心钢管混凝土结构的弹性层间位移角限值结构类型[θe]空心钢管混凝土框架1/500空心钢管混凝土框架—钢支撑1/450空心钢管混凝土框架—钢筋混凝土墙(筒)1/800表1-6空心钢管混凝土结构的弹塑性层间位移角限值结构类型[θe]空心钢管混凝土框架1/50空心钢管混凝土框架—钢支撑1/50空心钢管混凝土框架—钢筋混凝土剪力墙(筒)1/100-8- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2.3半刚性节点的研究现状在半刚性节点的连接分析中,必须首先确定节点的弯矩—转角(M—θ)函数关系。描述M—θ关系最常用的方法是将试验数据拟合成数学表达式;半刚性连接节点的M—θ曲线模型可以归纳为以下几种形式:多线段表达的线性模型、[15~17]多项式模型、三次B样条模型、幂模型及指数模型等。1.2.2.1线性模型单刚度线性模型是一种较容易得到且简单的模型,一般是应用连接的初始刚度来表示整个加载过程中的连接刚度。但是由于在半刚性连接中初始刚度大于加载期间的任何点的切线刚度,因此用这种模型模拟的连接过高地估计了连接的刚度。当弯矩增加超过连接使用极限后,这种模型就不再有效。如图1-6所示,双线性模型能够更好地表达连接特性,这种模型在某一转折弯矩处,用一条更平坦的线来取代弯矩-转角线的初斜率。在折线模型中,用一组直线段来逼近非线性的M−θ曲线。这些模型的特点是不够精确,在转折点处刚度突变,使它们难以用于实践。特别是在连接屈服阶段,切线刚度很小,会造成较大的误差。[49]图1-6各种线性模型与实验的对比1.2.2.2多项式模型[18]Frye和Morris(1976)建立了多项式模型来计算几种类型连接的特性,在这个模型中M−θ关系用一个奇次方的多项式来表达。它的形式为公式(1-1):135θr=++CKM123()()()CKMCKM(1-1)式中K——取决于连接类型及几何尺寸的标准化参数-9- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文C1,C2,C3——曲线拟合常数这个模型能很好地模拟特性,它的主要缺点是多项式在某一范围内存在极值点,用M−θ曲线斜率表示的连接刚度,就可能在某些M值的对应处为负值。这在实际中是不可能的。另外,如采用切线刚度法,负刚度会导致框架结构分析中发生数值计算的困难。1.2.2.3B样条模型[19]Jones等用样条法对连接试验数据作了曲线拟合,在这个模型中,将M−θ试验数据分成许多小组,每一组跨越M的一个小范围。然后用三次B样条曲线拟合每组数据,同时保证交点处各组数据的一阶和二阶导数是连续的。这种模型能够回避负刚度问题,并能极好地表示非线性的M−θ特性,但在曲线拟合过程中需要大量的数据。1.2.2.4幂函数模型[20]Colson和Louveau(1983)按三参数弹塑性应力-应变模型提出一个幂函数,其形式为公式(1-2):M⎡1⎤θr=⎢n⎥(1-2)Rki⎢⎣1/−()MMu⎥⎦式中Rki——初始连接刚度Mu——连接的极限弯矩n——M−θ曲线的形状参数由于模型仅有三个参数,它不如样条模型精确。但这个模型所需的数据却大大减少。[21]Kishi和Chen提出一个类似的幂函数模型,其形式为公式(1-3):1/nM⎡1⎤θ=⎢⎥(1-3)rnRki⎢⎣1/−()MMu⎥⎦1.2.2.5指数函数模型[22]Kishi和Chen的改进指数模型形式如公式(1-4):n−θrMCejMR=−∑jk()1/2α+0+fθ(1-4)j=1-10- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式中M0——曲线拟合的连接弯矩初始值Rkf——连接应变硬化刚度α——标量参数,用来保证数值稳定Cj——是曲线回归分析得到的曲线拟合常数这个模型在曲线拟合试验数据方面能够回避负刚度问题,并可极好的回避非线性的M−θ特性。1.2.4空心钢管混凝土结构的研究现状[23]国外的学者对空心钢管混凝土结构作了一定的实验研究。M.Satoshi对空心钢管混凝土短柱构件进行了受压试验,混凝土部分采用了高强度的混凝土,并且通过轴压试验的结果研究提出了计算空心钢管混凝土柱的抗压强度公式,[24]该公式可以得出钢管混凝土构件的抗压强度极限值。O`Shea和Bridge对空心圆钢管混凝土柱构件进行实验研究,通过改变实验构件的空心率和径厚比,分析了不同的空心率和径厚比对试件的抗压承载力的影响。乌克兰的L.[25]Storozhenko和V.Butsky等学者行了一系列的空心钢管混凝土短柱构件轴压试验,并且参考实验结果,使用了有限元分析软件得到了空心钢管混凝土构件的应力—应变关系的全曲线。我国虽然在空心钢管混凝土的研究领域中起步比国外较晚,但是发展速度很快。无论是理论研究方面或者是工程应用方面都已进入了世界领先地位,成为了当今世界中工程应用最多的国家。而且,在我国空心钢管混凝土的研究也从普通的圆钢管混凝土向着方形、椭圆形以及多边形等角度发展,理论工作也在不断深入进行中并且已经颁布了《空心钢管混凝土结构技术规程》。下面是我国今年来对空心钢管混凝土结构进行的试验以及研究。[26]1991年,张素梅和钟善桐对空心钢管混凝土受弯构件进行了理论研究。文章中应用了虚功原理和变分原理对钢管混凝土构件这一三维应力分析问题转化为了二维的分析问题,实现了用有限元法对空心钢管混凝土构件在受弯状态下的三维双重非线性分析。[27]1999年,王建华对空心钢管混凝土电杆进行了理论和实验研究,作者提出了一种薄壁空心钢管混凝土电杆变形的简化计算方法,并且进行了实验。通过对比试验与理论的结果,验证了简化模型的可行性。[28]2003年,曲晨和金伟良对空心钢管混凝土构件进行了扭转分析,根据势-11- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文能原理的方法,进行了空心钢管混凝土构件的弹塑性刚度分析。通过对空心钢管混凝土构件的扭转弹塑性刚度进行理论上分析,并与实验结果进行对比,证明的所才采用的方法是满足工程需求的。[29]2006年,钟善桐、徐国林对空心圆钢管混凝土、空心方钢管混凝土和空心多边形钢管混凝土进行了实验和理论和研究。通过对圆形、方形和多边形进行短柱轴压试验,将实验结果与理论计算的结果对比发现吻合较好。导出了轴心手压式的强度设计公式,该公式对各种多边形和方形截面都适用,并且使用方便,设计简单。[30]2007年,支正东、张大长和陈怀亮等人对空心方钢管混凝土进行轴压试验。通过对15个方钢管圆孔混凝土轴压短柱试验研究,得出了轴压短柱的承载力特点和破坏模式。实验表明,方钢管圆孔混凝土短柱中的混凝土面积与总面积比值在0.62以上时,混凝土可以形成较好的环向拱效应,提高短柱的轴压承载力。[31]2007年,王宏伟、徐国林和钟善桐进行了55根各种截面的空心钢管混凝土轴压短柱试验,研究了不同截面参数情况下,空心率对平均应力和纵向应变的影响。实验结果表明,圆形截面试件的承载力高于其他类型截面。并且,试件的空心率越小,试件的承载力越高,轴压曲线的弹塑性阶段越长,同时曲线的下降段越趋平缓。1.2.5空心钢管混凝土构件及节点抗震性能的研究现状国内外也有不少人分析了钢管混凝土构件以及节点的性能。AlostazYM和[32]S.P.Schneider对圆钢管混凝土节点的性能进行了研究分析,Chin-Tung[33]Cheng和Lap-LoiChung则对钢梁——钢管混凝土柱结构进行了地震作用[34]下的受力分析,尧国皇分析了钢管混凝土构件在多种受力状态组合的条件下的工作性能,刘威分析了钢管混凝土构件在受到局部压力时的工作性能以及[35,36]其轴压性能。Ellobody和Young分析了方形和矩形截面的钢管混凝土短[37][38]柱的轴压性能,Ellobody还对分别使用普通混凝土及高强混凝土的圆形截面钢管混凝土短柱进行了荷载—变形全过程分析。[39]2009年,张凤亮、查晓雄和倪艳春对空心钢管混凝土柱的抗震性能进行[40,41]了研究。利用ABAQUS软件对空心钢管混凝土柱在低周反复荷载下的受力性能进行了模拟,并且得到了它的P-Δ的骨架曲线。根据骨架曲线,提出了延性系数计算模型,利用得到的简化模型,分别研究了轴压比、长细比、空心率、-12- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文钢材强度、混凝土强度、含钢率对延性系数的影响。1.3本文的主要研究内容从上面可以看出空心钢管混凝土由于其出色的经济性和易装配性,在高层建筑应用是可行的。但是现有的规范对空心钢管混凝土结构的整体抗震分析的研究几乎没有,空心钢管混凝土规范中对最大适用高度和高宽比限值的要求全部是参照混凝土结构规范中的相应条款,这样的取值一方面可能在设计过程中带来浪费、使得界面设计尺寸不经济,另一方面也可能带来安全隐患。同时梁柱节点区域的刚度对框架结构的抗震性能也有着很大的影响。故本课题对于空心钢管混凝土框架结构最大适用高度和高宽比限值的研究以及半刚性节点的研究都是具有十分重要研究意义和应用价值。本文的主要研究内容是对不同截面空心钢管混凝土框架体系进行抗震性能分析,目的是为了得到空心钢管混凝土框架结构的最大适用高度以及高宽比的限值,以期对现有规程进行修正和验算。通过使用振型反应谱分解法首先对要计算的模型进行抗震截面设计,在保证空心钢管混凝土柱截面的空心率和轴压比的情况下设计出所要的模型。然后使用大型有限元分析软件ABAQUS对所计算得到的模型进行多遇地震和罕遇地震条件下动力时程分析。通过对空心钢管混凝土框架结构在不同节点刚度、截面类型和空心率等条件下的结果进行对比,得出以上因素对结构的影响方式及影响程度。并且利用空心结构与实心结构以及普通钢筋混凝土结构的地震响应的对比结果,分析空心钢管混凝土结构的最大适用高度以及高宽比限值。另外,本课题还得到了中建五局在“钢混组合结构无焊接新型节点”项目中的大力支持,在此表示感谢。-13- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章钢管混凝土的本构关系2.1引言对于空心钢管混凝土结构的动力时程分析,只有通过选择合适的钢材与混凝土的本构关系进行分析才能得出其正确的动力响应。但是,选用何种的本构关系才能将钢管混凝土的特点体现出来,本章将对以上的内容进行阐述。2.2纤维梁模型在抗震理论十分成熟的现今,对结构进行大型的动力时程分析已经是十分的普遍的,在这些对结构分析的过程,无一例外的会碰到对结构模型简化的问题。纤维梁模型是一种十分简便的模型体系。传统的实体模型的分析方法往往有着很多问题,如果对模型划分过细,则计算时间太长,计算的代价相对较大;如果单元划分粗糙,则结果往往不够准确。纤维梁模型相比于实体模型,他的计算速度是实体模型无法比拟的优势,而且通过合理制定材料的单轴本构模型,计算结果也十分准确。ABAQUS这款分析软件中提供的梁单元正是这种纤维梁单元,通过建钢管混凝土结构中的分别建立纤维梁单元的形式,完成对钢管混凝土结构的模拟是可行而且准确的。2.3材料的本构关系2.3.1钢材的本构模型本文中使用的ABAQUS中自带的随动强化模型,强化段的弹性模量取弹性模型的0.01倍,本构模型如图2-1所示。-14- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图2-1钢材的随动强化本构模型2.3.2混凝土的本构模型从混凝土试件的单轴拉伸实验和单轴压缩实验的应力应变曲线可以看出以[42]下特点:(1)拉伸试件的应力应变曲线在应力达到抗拉强度后有下降段;(2)在单轴压缩试验中也有下降段,且在曲线上升段其弹性模量不断降低;(3)在应力越过峰值后卸载,其斜率小于初始斜率,这种现象称为刚度退化;(4)从受压试件由X射线进行透射的结果可以看出材料的内部的微小损伤随着应力的增大而增大。混凝土材料的以上特点决定了其本构模型的复杂性,传统的混凝土本构模型通常由金属的本构模型衍生出来,其结果就是不能很好的模拟混凝土在受拉段的软化性质和受压段的刚度退化性质,这样在抗震分析时往往不能模拟结构在往复作用下的刚度退化现象。本文中是基于纤维梁单元模型进行动力时程分析的,但是ABAQUS分析软件中的混凝土本构模型均不能在纤维梁模型中使用,所以基于ABAQUS软件进行了混凝土本构子程序的二次开发。如图2-2所示,对于空心钢管混凝土中的混凝土本构关系采用modifiedKent-Parkmodel模型。在本模型中,受拉为正,受压为负,需要定义的参数有7个:受压峰值应力应变坐标:(ε,f),受压压碎处应力应变坐标:(ε,f),cccccucu压碎处弹性模拟的损失系数:α。受拉极限:f,受拉软化阶段模量:E。tt-15- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文滞回损伤耗能段受拉软化段受拉拉裂段压碎段受压上升段受压下降段图2-2混凝土本构滞回曲线如图2-2所示,滞回过程规则:受拉区为线性回到原点;受压区为再次加载曲线3为过点R,斜率为E的直线,其中,点P为过原点斜率为E直线和过0压碎点斜率为αE直线的交点。斜率E根据包络线上点(σ,ε)和R点来确定。0cc卸载曲线1为过点()σ,ε斜率为E的直线,曲线2为过曲线1和x轴交点,斜cc0率为E2的直线。对于钢管混凝土结构,需要考虑套箍作用,根据文献[43]中的模型,对应7个参数的取值规则如下:考虑套管作用的混凝土(即约束混凝土)受压极值点为(ε,f),计算公式cccc如下:f=fm+f(2-1)cccrp⎡⎛⎞f⎤ccεε=+−⎢15⎜⎟1⎥(2-2)cccf⎣⎝⎠c⎦式中fcc——约束混凝土的抗压强度;εcc——约束混凝土的抗压强度对应的应变;fc——混凝土的棱柱体抗压强度;εc——混凝土强度对应的应变;m——经验系数,取m=4;frp——径向最大侧压力,对于多变形为等效最大侧压力,取值如公-16- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式(2-3)及公式(2-6)对于圆形截面:2tfrp=−()ννesfy(2-3)D−2t2⎛⎞f⎛⎞ff⎛⎞=+−′′⎜⎟cc+⎜⎟−⎜⎟cν0.23120.3582νν0.15244.8439.169(2-4)ee⎜⎟fe⎜⎟ff⎜⎟⎝⎠yy⎝⎠⎝⎠y32−−−642⎛⎞DDD⎛⎞⎛⎞ν′=×0.88110⎜⎟−×2.5810⎜⎟+×1.95310⎜⎟+0.4011(2-5)e⎝⎠ttt⎝⎠⎝⎠式中v——有混凝土填充时的钢管泊松比,取值如公式(2-4);eν——无混凝土填充时的钢管泊松比,钢管屈服时,ν=0.5;ssD——钢管的外直径;t——钢管的壁厚;fy——钢材的屈服强度。对于矩形截面:1.46()fc1.03fRrp=−6.5+0.12()fc(2-6)fy2b121(−ν)fyR=(2-7)2tE4πs式中R——钢管宽厚比参数,取值如公式(2-7);fc——混凝土的棱柱体抗压强度;fy——钢材的屈服强度;b——多边形钢管一条边的长度;t——钢管的壁厚;ν——钢材的泊松比,可取,ν=0.3;5Es——钢材的弹性模量,Es=×2.0610MPa。考虑套管作用的混凝土(约束混凝土)压碎点(ε,f),计算公式如下:cucuffZcu=−cc(εcu−εcc)(2-8)式中fcc——约束混凝土的抗压强度;εcc——约束混凝土的抗压强度对应的应变;fcu——约束混凝土的压碎处的强度;-17- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文εcu——混凝土强度对应的应变,当为圆截面时取值0.025,当为方截面时,按公式(2-12)取值;Z——混凝土本构下降段的切线模型,即斜率的绝对值,参考下面的公式(2-9)以及公式(2-11)取值。对于圆形截面,Z的计算公式为:⎧⎛⎞fc⎪0,Rt⎜⎟≤0.006⎪⎜⎟f⎝⎠y⎪⎪5⎛⎞ffcc⎛⎞110×−RR⎜⎟600,⎜⎟≥≤0.006,f283⎪tt⎜⎟ff⎜⎟y⎪⎝⎠yy⎝⎠Z=⎨(2-9)13.4⎪⎛⎞fy⎡⎤5⎛⎞fc⎛⎞fc⎜⎟⎢⎥110×−R⎜⎟600,Rf⎜⎟≥≤0.006,283≤336⎪283t⎜⎟fty⎜⎟f⎪⎝⎠⎢⎥⎣⎦⎝⎠y⎝⎠y⎪⎛⎞ff⎛⎞⎪110×−6RR⎜⎟cc6000,⎜⎟≥≥0.006,f336⎪tt⎜⎟ff⎜⎟y⎩⎝⎠yy⎝⎠fD2yRt=−31()ν(2-10)Et2s式中Rt——钢管径厚比参数,取值如公式(2-10);fy——钢材的屈服强度;fc——混凝土的棱柱体抗压强度;D——圆钢管的直径;t——钢管的壁厚;ν——钢材的泊松比,可取ν=0.3;5Es——钢材的弹性模量;可取Es=×2.0610MPa。对于矩形截面,Z的计算公式为:⎧⎛⎞fc⎪0,R⎜⎟≤0.0039⎪⎜⎟⎝⎠fyZ=⎨(2-11)⎪⎛⎞ff⎛⎞cc⎪23400RR⎜⎟⎜⎟−>91.26,⎜⎟⎜⎟0.0039ff⎩⎝⎠yy⎝⎠-18- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文⎧⎛⎞fc⎪0.04,R⎜⎟≤0.042⎪⎜⎟f⎝⎠y⎪2⎪⎪⎡⎤⎛⎞ff⎛⎞⎛⎞fcccεcu=−⎨14.5⎢⎥RR⎜⎟⎜⎟2.4⎜⎟⎜⎟+0.1160.042<,R⎜⎟⎜⎟<0.073(2-12)⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎠ffyy⎝⎠⎝⎠fy⎪⎪⎛⎞fc0.018,R⎜⎟≥0.073⎪⎜⎟f⎪⎩⎝⎠y式中R——钢管宽厚比参数,取值见上面公式(2-7);fc——混凝土的棱柱体抗压强度;fy——钢材的屈服强度。但是对于上面的公式,ε必须满足公式(2-13)的要求,即f必须处于受压cucu区域,其值始终是非正数。fccεεcu≤+cc(2-13)Z通过上面的公式已经可以确定4个参数,另外3个参数分别为:压碎处弹性模拟的损失系数:α。受拉极限:f,受拉软化阶段模量:E。由于受拉部tt分影响较小,所以可以取ff=10,EE=10,或是更小的值。α的取值为tcct001<≤α,可以根据实际情况调整,本文中取值为0.1。2.4本构模型的验证利用文献[43]中所给出的公式可以将处于约束作用下的混凝土的本构关系描述出来,但是文献主要是利用轴压实验的实验结果来得出约束混凝土的本构公式,本文中将进行的是动力时程分析,钢管混凝土柱将处于压弯的状态,为了保证本构模型的正确,进行了对本构模型的验证。选用文献[44]中所得出的实验数据进行模拟分析,文献[44]中利用四连杆机构进行钢管混凝土柱的压弯实验。采用的钢管为直径108mm,壁厚5mm的无缝钢管,屈服强度为327.8MPa。其中灌注的混凝土的标号为33.8。-19- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文对于单调荷载条件下的模拟结果如下图:45403530(kN)2520实验结果水平力15模拟结果1050010203040柱顶水平位移(mm)图2-3轴力为2T的单调加载模拟结果对比40353025(kN)20实验结果15水平力10模拟结果50010203040柱顶水平位移(mm)图2-4轴力为27T的单调加载模拟结果对比对于反复荷载条件下的模拟结果如下图:5040302010(kN)0-40-20-1002040水平力-20实验结果-30模拟结-40果-50柱顶水平位移(mm)图2-5轴力为27T的循环加载模拟结果对比-20- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从上图中可以看出本文所采用的本构模型所得出的模拟结果与文献中的实验结果基本吻合,说明该本构模型是可以应用于钢管混凝土结构的动力时程分析的。2.5本章小结本章主要对动力时程分析中材料的本构模型进行了研究。利用所采用的本构模型模拟了文献中的实验过程,发现模拟的结果与实验结果吻合较好,说明了该本构模型在动力分析中的正确性。-21- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第3章节点抗震性能实验研究及节点模型分析3.1引言对于框架结构而言,其节点的刚度问题是影响其地震响应的关键因素。本章将会从一个已进行的钢管混凝土节点抗震实验出发,分析钢管混凝土节点的刚度问题,并给出相应的节点模型。3.2试验原理及试件模型介绍原结构的梁跨度为10米,层高4米,柱受到的最大轴力是40500KN,钢管混凝土柱外径1200mm,壁厚25mm,含刚率0.88,采用Q345钢材,内填混凝土为C60,经计算,组合强度设计值为63.8MP,柱的极限承载力为72156KN,轴压比为0.561。试验中模型所选区域如图3-1:图3-1实验模型区域简化图通过对于试验器材的加载能力的考察,最后采用了1/5的比例模型进行缩尺试验。在试验过程中保证了含钢量,轴压比和材料强度不变对原节点进行缩小。模型的缩减按照经历相似原则进行缩减,即:(1)物理相似条件:模型与原型的物理条件相似,按照模型与原型的相应各点应力和应变间的关系相同。(2)几何相似条件:模型与原型各部分间的长度L互成比例,长度相似系数-22- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文即称模型比例,在实验设计的过程中,保证了长度、位移、应变等物理量相似系数间应该满足的关系。(3)边界相似条件:在模型的缩减过程中,保证了结构的边界条件相似,这之中包括了支承条件相似、约束情况相似、在边界上的受力情况相似等。按照以上的原则得到最终的模型如图3-2:图3-2最终模型图其中柱端与梁端均为铰接,按照轴压比不变取0.561,选择在试验中施加1200KN的轴力。柱采用219×6无缝钢管,C60高强混凝土;梁采用HRB400钢筋,C30混凝土。为加快试验进度,在混凝土中添加了早强剂,并分别浇注了5组15个立方体试件。这是因为加入早强剂后无法准确把握混凝土强度,对立方体试件进行抗压试验,可以得到试验时的混凝土准确强度。另外还为C30混凝土浇注了1组3个300×100×100的棱柱体,用于测量混凝土的弹性模量。对于钢管板材和钢筋也进行材性试验。最终用于试验的共两类3个试件,第一类牛腿长度为170CM共两个,分别用作柱端和梁端加载;第二类牛腿长度为110CM共一个,只进行柱端加载。3.3试件制作流程实验中试件进行如图3-3所示的加工过程,在加工完成后对其进行了梁端加载实验。-23- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图3-3试件加工流程图3.4加载系统及加载策略3.4.1轴力加载装置本试验采用的加载方式为梁端往复加载,轴力需保持一致,均为1200kN。考虑到反力架支撑能力限制等因素,加载装置均利用四连杆加载装置,置于试件顶端,再利用分配梁将竖向力分配两榀架子之上。首先将四连杆横梁与柱顶支座通过螺栓连接,再将钢轴穿入柱顶支座及盖板孔洞之间,实现铰接简化模型。此后,在四连杆横梁上端平行安放两个圆钢轴,使两个钢轴中间恰好位于柱顶上方,并在轴上安装小钢梁及千斤顶,以保证柱轴心加载。根据本试验轴力要求,选用2500kN千斤顶,在试验中利用油泵进行加压。轴力加载装置图如图3-4。图3-4轴力加载装置图-24- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.4.2竖向往复力加载装置对于加载试件,限制了柱顶水平位移,而在左右梁端进行往复加载。考虑试件承载能力,梁端采用2个30T推拉千斤顶,使其在梁下端利用螺栓固接于地面梁上,再通过连接件连接至梁端钢轴位置,使其可以自由转同,同时与推拉千斤顶协同工作。在试验过程中,利用油泵控制加载速度及力大小,使梁两端以相反的方向加载,保证力或位移控制阶段两边相一致。推拉千斤顶及梁端加载装置如图3-5。图3-5推拉千斤顶3.4.3加载策略流程利用油泵对250T千斤顶进行加载,当轴力达到1200kN时,保持轴力不变。同时,在加载过程中,为了避免试件整体变形导致梁端产生较大内力导致剪切破坏,在加载轴力的同时,控制梁端推拉千斤顶向下缩,控制其支撑力接近0。完成轴力加载后,同样参考预估梁端承载力定义力控制及位移控制阶段。在达到屈服前,采用力控制加载,每级进行单循环加载。当试件出现屈服后,采用位移控制,每级加载循环两次。直至承载能力明显下降,降至峰值荷载85%以下。在加载过程中,需保证两端加载效果一致。在力控制阶段,保证两端推拉力相同,在位移控制阶段,保证两端竖向上下位移一致。-25- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.5数据采集系统3.5.1力采集系统本实验采用了梁端加载的策略,由于在梁端是利用推拉千斤顶进行加载,其装置自身无法直接输出推拉力,因而在推拉千斤顶与梁端连接件之间连入30T力传感器。在加载前将力传感器借由桥盒连接北京波普采集仪,输出荷载值。力采集装置见图3-6,北京波普见图3-7图3-6力传感器图3-7北京波谱仪3.5.2位移采集系统为了在试验中监测试件各主要部分的变形情况,在试验进行前为试件设计了相应的位移采集装置。考虑到精度要求,主要采用高精度LVDT位移传感器,采用传感器量程包括100mm,50mm,20mm三种。高精度LVDT位移传感器按下图设计安装。柱顶位置处LVDT导线与作动筒控制系统相连,直接输出获得位移曲线。对于其它位置处LVDT位移计,采用北京波谱采集仪进行采集。LVDT-26- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的布置见图3-8图3-8LVDT布置图3.5.3应变采集系统为了获得试验过程中,钢筋及钢板等位置处的应变,试验中采用DH3816静态应变采集箱进行采集。桥路先用1/4桥连接,每10组应变片采用一个温度补偿片。在试验加载前,需将应变采集箱预热30分钟,以消除内部温度的影响,避免试验过程中结果发生漂移。3.6节点转角模型与实验数据对比参考了前面所讲到的节点转角模型,本文选择了相对简单的线性模型,不过考虑到单线型模型和双线型的模型都存在着一定的问题和缺陷。本文在折线性的节点模型基础上进行了改进,使用了一种自行研究的三折线计算模型,模型共分三段:弹性段,强化段,塑性段。具体如图3-9-27- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图3-9本文所选用节点模型的弯矩—转角曲线图中MU为转角的极限抗弯承载力,My为节点转角的屈服弯矩,θU,θy为对应的转角,θ为节点的极限转角。K为节点转角的初始刚度,节点初始刚度ai的取值为20倍的梁的线刚度。K为进入塑性阶段后的转角刚度,按公式(3-1)p[45]取值:K=0.1K(3-1)pi对于M的取值,为了满足框架结构抗震设计时的“强柱弱梁,强剪弱弯,y强节点弱构件”设计原则,节点处的屈服弯矩必须大于梁的屈服弯矩。而极限弯矩承载力M则按照公式(3-2)计算UMyM=(3-2)U0.85利用实验中的梁端加载试件的实验数据,得出了该试件的左梁节点的弯矩——转角模型,其与本文中使用的模型对比如图3-10。-28- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文252015理论模型节点弯矩10实验数值5000.00050.0010.00150.0020.00250.003节点相对转角图3-10模型与实验节点对比从图中的对比发现,实验中的节点刚度比本文中模型稍大一些,但是曲线整体的趋势还是比较吻合的。3.7半刚性节点的影响在框架结构设计中,梁与柱之间的连接构件,也就是节点部分起着在梁和柱之间传递弯矩和剪力(剪力和轴力之间的转换)的重要作用,是将框架结构[46-49]中荷载按照一定的方式进行分配的重要组成部分。节点设计不仅涉及节点自身的安全问题,也直接影响着他所连接的柱与梁的结构安全。所以研究节点区域的真实变形能力,不仅可以保证结构的安全和稳定,通过合理的设计还可以让节点合理的在梁柱间分配荷载,使结构设计的更为合理和经济。节点的研究有着重要的意义。传统分析和设计中,一般将框架结构的连接节点考虑成刚度无穷大的刚性节点或刚度为零的铰接节点。虽然对连接性能的这种理想化假设简化了框架结构的分析和设计,但采用理想的连接模型在很多情况下是不尽合理的,不能反映结构工作的实际情况,计算的误差较大,有时甚至会得到错误的结论。在实际工程中,框架结构的节点连接性能往往介于两者之间,为半刚性连接。按照完全刚接分析则夸大了节点约束的作用;按理想铰接分析则忽略了节点约束的影响,造成理论分析与实际结构受力的不一致。因此,为了合理预测框架结构的实际工作-29- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文性能,应在框架结构的分析和设计过程中充分考虑半刚性连接节点的影响。国内外的很多学者已经在半刚性连接框架结构的分析研究中取得了一些成果。而我国在此方面的研究相对起步较晚,目前我国现行的GB50017—2003《钢[50]结构设计规范》只是提到了半刚性连接的概念,并未详细说明如何实现半刚性连接的设计计算、要求标准等,因此有必要就半刚性连接对框架结构的影响进行深入的研究。目前,国内外对于半刚性节点已经做了大量的理论分析和实验研究,按照节点的类型和刚度等等条件也对节点划分了不同的等级。并且将刚性节点,半刚性节点,铰接节点进行了功能上面的区分。3.7.1国外规范的相关规定近几年来,世界各国对半刚性连接框架的几何和材料双重非线性研究非常重视。欧美等国已经明确规定节点有半刚性连接这种类型。欧洲规范EC3(1992)[51]按框架有、无侧移将框架连接分为刚性、半刚性和柔性(铰)连接3类。如图3-11所示图3-11欧洲规范节点分类图图中区域1为当节点刚度大于25倍的梁线刚度的区域认定为刚性节点,区域3为小于0.5倍梁线刚度的区域,认定为铰接节点。中间区域为半刚性节点。[52]美国钢结构学会(AISC,1986,1989)做出规定,容许应力设计(ASD)规范(AISC1989)列出三种类型的连接:-30- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(1)类型1或刚性连接,假定梁和柱之间的连接有足够的转动刚度,能保持相交构件之间原有的角度不变。(2)类型2或简支连接,假定结构承受重力荷载时,主梁和次梁只传递垂直剪力,不传递弯矩,可以自由转动。(3)类型3或半刚性连接,假定连接可以传递垂直剪力,也能够传递部分弯矩。3.7.2我国规范的相关规定我国钢结构设计规范(GB50017-2003)把框架结构分类为无支撑框架,强支撑框架和弱支撑框架三类。虽然在其中也提到了半刚性连接的概念,但是并未提及在设计中如何考虑其影响。对于无支撑框架,它的侧向刚度完全由框架本身提供,要求在它的构建连接处假定为完全刚性,但是这样就无形中增加了连接处节点的负担;对于强支撑框架,它的侧向刚度则由剪力墙或是其他的有效支撑体系提供,要求在它的构架连接处为完全的铰接,梁和柱只承担竖向荷载的作用,这样直接造成梁柱的截面设计困难,截面尺寸较大。显然,对我国的规范而言,应该更加合理的利用半刚性节点的特性进行设计。半刚性的节点不仅设计方便、费用较低,而且半刚性节点也能满足节点处的刚度要求。因此,目前我国对半刚性节点的研究仍是一个重要课题。3.7.3节点刚度对结构的影响上面讨论了节点刚度对结构的内力的影响,那么节点刚度对结构的整体刚度和抗震性能有怎么样的影响呢。为了研究节点刚度对结构的影响,分别建立了半刚性节点和刚性节点的模型,其中半刚性节点的节点刚度选用前面自行设计的节点模型,不过通过改变节点的初始刚度来分析节点刚度对结构的影响。选用的模型为18层模型,节点刚度分别0.1、0.5、2、5、15、20、25和30倍的梁线刚度。结果如下图3-11和图3-12从图3-11和图3-12可以看出,当节点采用半刚性节点进行分析和刚性节点进行分析的结果差距比较大,这说明当对结构进行动力分析时,模型的节点建立对结果的影响是比较大的。当采用刚结节点的方式建立模型的时候,结果会有较大的出入。下面将各个模型最大层间位移进行对比如图3-14和图3-15-31- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18161415倍线刚度1220倍线刚度1025倍线刚度层数30倍线刚度85倍线刚度62倍线刚度0.5倍线刚度40.1倍线刚度20010203040506070层间位移(mm)图3-12不同节点刚度模型在大震条件下的层间位移结果18161415倍线刚度1220倍线刚度1025倍线刚度30倍线刚度层数85倍线刚度62倍线刚度0.5倍线刚度40.1倍线刚度20012345678910层间位移(mm)图3-13不同节点刚度模型在小震条件下的层间位移结果-32- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文706050(mm)4030最大层间位移20100051015202530节点刚度倍数图3-14大震条件下最大层间位移的变化图10987(mm)654最大层间位移3210051015202530节点刚度倍数图3-15小震条件下最大层间位移的变化图从图3-14、图3-15以及表3-1中可以看出结构的最大层间位移随着节点刚度的变化而变化,在节点刚度达到15倍的梁线刚度时,对结构的影响基本就不变了。所以可以认为当节点刚度达到梁线刚度的15倍时既可以认为该节点为刚性连接,前面实验中的节点刚度为20倍,也符合这一结论。-33- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3-1节点刚度模型的最大层间位移变化率大震条件下小震条件下节点刚度最大层间位移与15倍模型的变最大层间位移与15倍模型的变倍数(mm)化率(mm)化率0.159.2875177.98%9.499178.17%0.541.924596.57%6.810899.45%227.3027528.01%4.400228.86%522.6466.18%3.62456.14%1521.328—3.4148—2020.926-1.88%3.3477-1.96%2520.727-2.82%3.316-2.89%3021.119-0.98%3.3727-1.23%利用表3-1中的数据,拟合了公式(3-3)和公式(3-4),利用这两个公式可以大致估算该结构在其他节点刚度条件下的最大层间位移,公式(3-3)为大震条件下的,公式(3-4)为小震条件下的。kk−−Δ=14.32ee2.311+31.240.415+21(3-3)大震kk−−Δ=2.37ee2.283+4.860.415+3.36(3-4)小震式中Δ大震——结构在大震条件下的最大层间位移;Δ小震——结构在小震条件下的最大层间位移;k——节点刚度相比于梁线刚度的倍数。3.8本章小结在本章中介绍了钢管混凝土节点实验的相关流程以及的到的实验结果,并且对实验结果也进行了分析。利用实验中的到的数据对节点的转角模型进行了与理论上的对比,结果发现与本文中使用的节点转角模型符合的比较理想。利用本文中的节点模型分析了节点刚度对结构整体抗震性能的影响并给出了该体系的层间位移的估算公式。-34- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章空心钢管混凝土框架结构有限元分析4.1引言本章主要是对模型建立过程中所涉及的问题进行分析研究,主要对半刚性节点的模型选取,和本文所采取的模型以及地震波选择进行探讨。另外,也对模型的尺寸的设计过程进行了阐述。最后将如何在ABAQUS软件中解决以上各个方面的问题进行了描述。4.2地震波的选择在选用地震波时,还应全面考虑地震动的三个要素,即地震动幅值、地震[53]动频谱和地震动的持续时间,并根据具体情况进行调整。地震动幅值需要按照相应的抗震设防烈度进行调幅,抗震设防烈度与地震峰值加速度的关系见下面的表4-1表4-1抗震设防烈度与地震峰值加速度的关系地震影响6度7度8度9度多遇地震1835(55)70(110)140罕遇地震——220(310)400(510)620注:括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区本文在动力时程分析中选用的是Elcentro波,其波形如图4-140003000)22000(mm/s100000.002.004.006.008.0010.0012.00加速度幅值-1000-2000-3000时间(s)图4-1ELcentro波的地震加速度波形图-35- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文地震波的选择应既能反映建筑物所在场地条件,又能最大反映建筑物在地[50]震作用下的受力和变形特点。因此本次地震波的选择主要考虑以下几个原因:(1)假定框架所在场地类别为III-IV类(按沿海地区),特征周期为0.45~0.65秒,本文所选用的Elcentro(1940NS)波的卓越周期约为0.5s两者比较接近,能够满足地震动频谱的选择要求。(2)所选用的Elcentro(1940NS)波包含了该地震波的最强部分。(3)Elcentro(1940NS)地震波在此之前的许多结构地震反应分析中被采用。因此采用Elcentro波进行模拟有利于与其他模拟结果进行参照。4.3空心钢管混凝土框架模型的建立过程4.3.1空心钢管混凝土框架结构模型的设计4.3.1.1材料的选用根据《空心钢管混凝土技术规程》的要求,钢管可采用Q235和Q345钢材,也可采用Q390和Q420钢材。一般构件可采用B级钢,高层建筑的柱和在-20℃以上工作的塔架,可采用B级钢,在低于-30℃工作的塔架结构,应采用C级钢。钢材质量应符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。钢管内的混凝土强度等级不应低于C30。混凝土的抗压、抗拉强度和弹性模量应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010采用。本文所选用的是Q345级钢材和C60级高强混凝土。4.3.1.2空心钢管混凝土单肢柱截面设计空心钢管混凝土单肢柱轴心受压时的组合强度设计值应按公式(4-1)至公式(4-6)计算:22fhh=++()1.212Bk11θθoCkho(1.1fc)(4-1)fyB=+0.17590.974(4-2)235fckC=−0.1038+0.0309(4-3)20.1αf0θ=ho1.1f(4-4)c-36- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Aαsα==oAc()1−ψ(4-5)Ahψ=()Ahc+A(4-6)式中θho——空心钢管混凝土构件的套箍系数设计值;α——空心钢管混凝土构件的含钢率,等于钢管面积A和管0s内混凝土面积A之比;cα——对应的实心钢管混凝土截面的含钢率;ψ——空心率;等于空心部分面积Ah和混凝土面积Ac与空心部分面积A之和之比;hfy、f——分别为钢材的屈服点和抗压强度设计值;fck、fc——分别为管内混凝土的抗压强度标准值和设计值;k——由于截面形状不同的紧箍效应折减系数;圆形和十六边1形截面取0.6,八边形截面取0.32,四边形截面取0.225。矩形截面应换算成等效正方形截面进行计算,等效正方形截面的边长为矩形截面的长短边长之乘积的平方根。对各种钢材和各种混凝土强度等级时k值皆同。1空心钢管混凝土轴压构件的承载力设计值应按公式(4-7)至公式(4-10)计算:Nk=kAf(4-7)02choh3.2A+3.7A12k=2(4-8)3.7αf0yA=1αα00fyc+−()1fk(4-9)(1−α0)fyA=2(4-10)αα00fyc+−()1fk抗震设计时,空心钢管混凝土构件轴心受压构件的承载力应按下式(4-11)验算;N0N≤(4-11)γRE式中A——空心钢管混凝土构件的组合截面面积,等于钢管和管内混ho凝土面积之和;-37- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文k——混凝土徐变折减系数;ck——可靠度修正系数,按公式(4-8)计算;2γ——抗震调整系数,柱子取0.8;REN——考虑地震作用组合的轴心压力设计值。对轴压构件和偏心率er/0≤.3的偏心受压构件,当承受永久荷载引起的轴0心压力占全部轴心压力的30%及以上时,应考虑混凝土徐变的影响,可将承载力乘以徐变折减系数k。其中,e是荷载作用的偏心距,r是圆构件的截面半径,c0非圆截面时,是等效圆截面的半径。4.3.3模型的简化和假定为了方便对空心钢管混凝土框架结构进行有限元分析,在计算和建立模型的过程作了如下的一些简化和假定:(1)因为对于整体结构的分析较为复杂且耗费时间,对于每榀框架刚度基本相同的纯框架结构,只选用其中的一榀框架按照平面框架的形式进行动力时程分析。(2)在模拟结构的刚度的过程中,将结构中的楼板所提供的刚度忽略,只将其自重荷载作为线荷载的形式加于梁上,对于忽略的楼板刚度则通过增加梁的刚度进行补足。(3)在实际工程中,空心钢管混凝土柱通常是分为几段,而后通过套筒或者法兰盘等连接方式进行连接。而本文在建模过程中将各段柱的连接一致设定为刚性连接,即认为空心钢管混凝土柱是一个整体。(4)在模型中,对于结构与基础的连接认为是刚性的,直接将首层的柱子与地面刚性连接。4.3.4模型建立和实现过程本文所建立的空心钢管混凝土框架结构模型分别是以节点刚度、截面类型和空心率为参数变化来建立的。由于使用的是杆系模型,所以在建模过程中相对于实体建模是比较方便。首先在part模块中建立三维梁单元,单位为毫米。使用B32单元定义钢管混凝土柱和钢梁,然后对梁单元划分4个单元,柱划分3个,如图4-2。-38- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4-218层模型网格划分然后在assembly模块中利用merge工具将分段建立的柱单元进行融合。在property部分内截面对钢管混凝土柱的钢管和混凝土分别建立,并赋予对应的单元,梁单元坐标按默认定义。在interaction部分进行接触和约束的定义,对于空心钢管混凝土柱,将前面分别建立钢管部分(图4-3a)和混凝土部分(图4-3b)约束在一起,采用tie约束的形式使钢管和混凝土俩者共同受力和协同变形,达到模拟钢管混凝土结构的实际工作状态(图4-3c)。a)钢管单元b)混凝土单元c)组合单元图4-3单元模型-39- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文对于半刚性节点的建立,在梁和柱的连接处使用连接器单元,在节点处定义局部坐标使连接器单元符合实际节点的转动方向(图4-4),对于节点刚度的取值可以参考欧洲钢结构规范中对半刚性的定义,本文中取值为等于20倍的梁线刚度。图4-4节点的半刚性处理然后施加重力荷载和地震激励,选取支座处的节点施加约束,约束地震激励方向外的自由度。定义重力荷载为线荷载,然后在梁上施加。定义重力荷载时,由于采用的是动力分析,所以在进行中立加载时要考虑加载的速度,过快的加载会导致结构产生较大的震动,会影响到结果的准确。所以对模型进行了3种加载方式,即分别用不同时间进行加载好来判断加载的速度应该选取怎样的数值。如图4-5所示,当采用3秒的时间进行加载时,其产生的震动较小,基本对结果不会产生过大影响。故重力荷载才用3秒的时长进行逐步加载。定义地震作用时,采用tabular的形式将地震动幅值输入,然后选取各个钢管柱脚为加载点将地震波施加上去。-40- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文0-51秒加载2秒加载-103秒加载(mm)-15-20顶点位移-25-30-3500.511.522.533.54时间(s)图4-5不同加载速率下的模型震荡创建分析步,首先创建加载分析步,因为要进行动力时程分析所以使用动力显示分析,时长为3s。然后建立地震分析步,时长为12。最后建立分析任务并提交运算,定义job,并带入子程序进行分析。4.4算例设计利用前面所介绍的方法对将要进行模拟的模型进行尺寸设计,所有的模型全部选用Q345钢材和C60高强度混凝土,层高统一为3m,模型跨数为两跨,荷载工况按照规范选取,恒荷载取值4kpa,活荷载取值为2kpa。4.5空心率对结构的影响对于空心钢管混凝土构件而言,空心率是一个非常重要的参数。对于空心钢管混凝土柱来说,空心率的增大,往往导致构件的延性下降。但是空心率对于结构的整体而言又有怎么样的影响呢?下面通过对比在不同空心率条件下结构的抗震性能来分析空心率对结构整体的影响。采用圆形截面进行分析,空心率取值为0至0.5,0即是代表结构为实心结构,其模拟结果如下:-41- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18160140.1120.2100.3层数0.480.56420051015202530层间位移(mm)图4-6不同空心率下的模型在大震条件下的层间位移结果1816140120.1100.20.3层数80.460.5420012345层间位移(mm)图4-7不同空心率下的模型在小震条件下的层间位移结果从图中可以发现,空心结构与实心结构的地震响应是基本相当,并且都满足规范中对结构地震弹塑性层间位移的要求。考虑到空心钢管混凝土构件具有易装配的特性,在工程中采用空心结构代替实心结构也是可行的。-42- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3025(mm)201510最大层间位移500.10.20.30.40.5空心率图4-8不同空心率下的模型在大震条件下的最大层间位移结果对比54.543.5(mm)32.521.5最大层间位移10.500.10.20.30.40.5空心率图4-9不同空心率下的模型在小震条件下的最大层间位移结果对比从上面两图对比发现,空心钢管混凝土框架结构随着柱截面的空心率的增大,结构的地震响应在逐渐减小。主要原因是应为在相同的荷载条件下,相同的轴压比条件下,随着空心率的增加,截面的含钢率增加,截面刚度增大,套箍系数增大,所以结构抗侧移能力增强,抗侧移刚度增大。利用图4-8以及图4-9中的数据拟合了公式(4-12)和公式(4-13),利用所拟合的公式可以估算该结构形式在其他空心率的条件下所产生的最大层间位移。公式(4-12)为大震条件下的,公式(4-13)为小震条件下的。Δ=−29.217ϕ(4-12)大震Δ=−4.712.79ϕ(4-13)小震式中Δ大震——结构在大震条件下的最大层间位移;-43- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Δ小震——结构在小震条件下的最大层间位移;ϕ——结构所选取的空心率。另外,随着空心率的改变,结构的整体刚度发生变化,薄弱层出现的层数也发生了变化。所以在实际工程中在设计空心钢管混凝土结构时可以通过选取合理的空心率来控制结构的抗震能力和薄弱层位置,以达到经济合理的目标。4.6截面形状对结构的影响空心钢管混凝土结构较常见的有圆形和方形截面,下面通过对比不同截面类型,来分析截面类型对结构整体的影响。空心率0.1时对比结果如下1816141210圆层数8方6420051015202530层间位移(mm)图4-10空心率为0.1的不同截面模型在大震条件下的对比图1816141210圆层数8方6420012345层间位移(mm)图4-11空心率为0.1的不同截面模型在小震条件下的对比图空心率为0.2时结果如下:-44- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18161412圆10方层数86420051015202530层间位移(mm)图4-12空心率为0.2的不同截面模型在大震条件下的对比图18161412圆10层数8方6420012345层间位移(mm)图4-13空心率为0.2的不同截面模型在小震条件下的对比图空心率为0.3时结果如下:18161412圆10层数8方64200510152025层间位移(mm)图4-14空心率为0.3的不同截面模型在大震条件下的对比图-45- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18161412圆10方层数8642001234层间位移(mm)图4-15空心率为0.3的不同截面模型在小震条件下的对比图从上面的图中我们可以看出,圆形截面比方形截面地震响应要大。这是因为在设计圆形和方形截面时,由于方形截面对于混凝土的脆性考虑较多,其套箍作用较小,这样就会导致方形截面比起圆形截面要大很多。所以其截面刚度也较大,但是这是基于使用了更多材料的条件下。4.7空心结构与普通结构的对比由于钢管混凝土结构出现较晚,所以在规范中对其高宽比以及最大适用高度等等抗震设计要求都是参照普通钢筋混凝土结构的相应数值。不同结构类型的高宽比限值,最大适用高度等等抗震参数是考虑抗震性能、经济性能和使用合理、地基条件以及震害经验等等因素制定的。但是空心钢管混凝土结构并没使用的如此广泛,那么只有通过对比空心钢管混凝土框架结构与普通钢筋混凝土框架结构之间的差异,才能得到其相关的参数。下面在相同荷载工况条件下,对比了普通钢筋混凝土框架结构与圆形、方形空心钢管混凝土框架结构的地震响应,结果如下:-46- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18161412RC10圆层数8方64200510152025层间位移(mm)图4-16普通钢混框架与空心钢管混凝土框架在大震条件下的对比图18161412RC10圆层数8方642001234层间位移(mm)图4-17普通钢混框架与空心钢管混凝土框架在小震条件下的对比图表4-2空心钢管混凝土结构与普通钢筋混凝土结构的最大层间位移对比大震条件下小震条件下结构类型最大层间位移对比普通结构的最大层间位移对比普通结构的(mm)变化率(mm)变化率圆截面空心钢管混20.9265.61%3.34773.86%凝土结构矩形截面空心钢管22.33612.72%3.572610.84%混凝土结构普通钢筋混凝土结19.815—3.2232—构-47- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从表4-2中可以看出,不论是圆形或者方形截面都只比普通钢筋混凝土结构的地震响应稍大。那么对于空心钢管混凝土结构而言,他的高宽比,最大适用高度等等抗震设计要求都可参考普通钢筋混凝土结构的相关要求。由于结构的最大使用高度涉及经济性等很多因数,主要是依赖经验值,为了得到空心钢管混凝土结构的最大使用高度的估算公式,本文以钢筋混凝土结构的最大使用高度为依据,认为在其它因数如经济性等一致的条件下,本文仅从结构在地震下的最大层间位移方面的比较,做了如公式(4-14)的假定来推导出空心钢管混凝土结构的最大使用高度ΔrcHhcfst−=Hrc(4-14)Δhcfst−式中Hhcfst−——空心钢管混凝土结构的最大使用高度;Hrc——钢筋混凝土结构的最大使用高度,取值见表4-3;Δ——空心钢管混凝土结构的最大层间位移,按公式(4-12)和公hcfst−式(4-13)计算;Δ——钢筋混凝土结构的最大层间位移,按表4-2中取值,在大rc震条件下为19.815,小震条件下为3.2232。分别在大震及小震条件下按公式(4-14)计算得出结构的最大使用高度,取两者的较小值作为空心钢管混凝土框架结构在该设防等级及空心率条件下的最大使用高度估算值。最终,空心钢管混凝土框架结构按公式(4-14)计算得到的最大使用高度如表4-4所示。表4-3钢筋混凝土框架结构的最大高度(m)设防等级结构形式6789框架结构60554525表4-4空心钢管混凝土框架结构的最大使用高度(m)设防等级空心率67890.1434032180.2464235190.3494537210.4534940220.557534324-48- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.8本章小结在本章中,对所设计的模型进行了动力时程分析,分析了空心率以及截面类型对空心钢管混凝土框架结构的影响。利用所得的结果拟合了该结构最大层间位移关于空心率变化的公式,并在此基础上给出了空心钢管混凝土框架结构结构在不同设防烈度条件下的最大使用高度的估算公式和估算值。-49- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结论本文对半刚性节点的模型类型进行了总结和分析,并且在此基础上进行适用于本文的半刚性节点模型的研发。利用所得半刚性节点模型,对空心钢管混凝土框架结构进行的动力时程分析。为了在ABAQUS软件中使用纤维梁模型,本文使用了本中心开发的基于ABAQUS软件的子程序。所开发的子程序充分体现了混凝土本构关系中的受拉软化和刚度退化等特性。在ABAQUS软件中解决了如何使用半刚性节点的问题,利用所建立的模型对空心钢管混凝土框架结构进行了关于高度和高宽比的分析。得到如下的结论:(1)通过对节点实验数据的研究得到了理论节点模型,并利用得到的节点模型分析了节点刚度对结构抗震性能的影响,发现在节点刚度达到15倍的梁线刚度的条件后基本认为节点即是刚结节点,节点刚度在增大也不会对结构有很大的影响,相反在节点刚度小于15的梁线刚度的条件时,节点刚度对结构的影响则是很大,并且随着节点刚度的减小,这一趋势的增大速度逐渐加快。在最后还给出了该结构在其他节点刚度下的层间位移估算公式。(2)利用模型分析了空心率和截面类型对结构的影响。发现随着空心率的增加结构的抗侧移能力增强、整体刚度增大、地震响应减小。并且结构随着空心率的变化,地震响应的变化也呈现一种线性的趋势。对比不同截面的结构发现,矩形截面相比圆形截面在相同的承载力条件下有着更好的抗震性能。(3)通过对比空心钢管混凝土结构和实心钢管混凝土结构发现,在相同荷载条件下和相同轴压比条件下。空心钢管混凝土结构的整体刚度比实心的要大,那么利用得出的两者的比较变化率,本文给出了空心钢管混凝土框架结构的最大适用高度的估算公式。本文虽然对空心钢管混凝土框架结构进行了大量的模型分析,但是作者认为还应对其进行如下问题的研究。(1)由于本文中采用的为实心钢管混凝土节点实验的数据对节点进行的分析研究,应当对空心钢管混凝土节点的刚度问题进行试验研究,通过分析试验得到的数值来对其节点进行模拟。(2)对不同的系数对高度和高宽比的影响进行分析,本文中对于轴压比取值基本保持一定水准。可以通过变换轴压比,来分析轴压比对于结构的抗震性能影响。-50- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文参考文献1钟善桐.钢管混凝土结构.第3版.清华大学出版社,2002:1~342韩林海.钢管混凝土结构理论与实践.第二版.科学出版社,2007:1~223钟善桐.钢管混凝土统一理论-研究与应用.清华大学出版社,2007:1~104蔡绍怀.现代钢管混凝土结构.修订版.人民交通出版社,2003:1~255戴学新.钢管高强混凝土框架抗震性能的非线性有限元分析.天津大学硕士学位论文.2002:8~96李俊峰.浅谈钢管混凝土结构的应用与优缺点.包钢科技.2001,27(3):92~957徐国林.薄壁空心钢管混凝土结构.杭州:浙江省电力设计院,1996:1-11.8钟善桐.钢管混凝土结构研究新进展.钢结构.2009,5(24):54~589钟善桐.空心钢管混凝土的应用与研究.工业建筑.2004,增刊:223~23010程斌,薛伟辰.基于性能的框架结构抗震设计研究.2003,23(4):50~5511徐培福.复杂高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社.2005:30~6812许开成,张安哥,陈梦成.钢管混凝土框架结构高宽比限值的研究.铁道建筑.2009.11:110-11313许开成,张安哥,黄宏.钢管混凝土框架结构高宽比限值的影响因素.铁道建筑.2008.11:109-11014张荣兰,孟晓.关于框架结构的适用层数与高宽比的讨论.工业建筑.1999.29(12):44-4615M.Barakatm,W.F.Chen.PracticalAnalysisofSemi-rigidFrames.EngineerJournal,1990,27(2):54-68.16L.Xu,Y.Liu.StoryStabilityofSemi-bracedSteelFrames,JournalofConstructionalSteelResearch,2002,58(4):467-491.17N.Kishi,W.F.Chen,Y.Goto.EffectiveLengthFactorofColumnsInSemi-rigidandUnbracedFrames.JournalofStructuralEngineering,1997,123(3):313-320.18M.J.Frye,G.A.Morris.AnalysisofFlexiblyConnectedSteelFrames.CanadianJournalofCivilEngineer,1976,3:350-352.19S.W.Jones,P.A.Kirby,D.A.Nethercot.ColumnswithSemi-rigidJoins.JournalofStructuralDivision,1983,109(4):1067-1069.20A.Colson,J.M.Louveau.ConnectionsIncidenceontheInelasticBehaviorofSteelStructures.EuromenchColloquium,1983,174(October).-51- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文21W.F.Chen,N.Kishi.Moment-RotationRelationsofSemi-rigidConnectionswithAngles.J.Struct.Engrg,1990,116(7):1813-1834.22E.M.Lui,W.F.Chen.AnalysisandBehaviorofFlexibly-jointedFrames.EngineeringStructures,1986,8(2):107-118.23M.Satosh,M.Chiaki,EvaluationFormulaofCompressiveStrengthofCentrifugalConcreteFilledSteelSquareTubularColumns.B.JournalofStructuralEngineering,1997,43(B):581-586.24M.D.O’Shea,R.Q.Bridge.TestonCircularthin-walledSteelTubesFilledwithMediumandHighStrengthConcrete.AustralianCivilEngineeringTransactions,1998,40:15-27.25L.Storozhenko,V.Butsky,O.Taranovsky.StabilityofCompressedSteelConcreteCompositeTubularColumnswithCentrifugedCores.J.Construct.SteelRes.,1998,46(1):484.26张素梅,钟善桐.空心钢管混凝土受弯构件理论分析方法.哈尔滨建筑工程学院学报.1991,24(4):32~3727王建华.薄壁离心钢管混凝土电杆变形的简化计算.中国电力.1999,32(7):44~4628曲晨,金伟良.离心钢管混凝土构件扭转弹塑性刚度分析.哈尔滨工业大学学报.2003,35,增刊:140~14329钟善桐,徐国林.空心钢管混凝土轴压构件的工作性能.哈尔滨工业大学学报.2006,38(9):1479~150330支正东,张大长,陈怀亮.空心方钢管混凝土轴压力学性能的试验.南京工业大学学报.2007,29(4):68~7231王宏伟,徐国林,钟善桐.空心钢管混凝土长柱轴压性能的试验研究.工业建筑.2006,32(12):69~7232Y.M.Alostaz,S.P.Schneider.AnalyticalBehaviorofConnectionsToConcret-filledSteelTubes.J.Construct.SteelRes.,1996,40(2):95-127.33C.T.Cheng,L.L.Chung.SeismicPerformanceofSteelBeamsToConcrete-filledSteelTubularColumnConnections.JournalofConstructionalSteelReach,2003,59:405-426.34尧国皇.钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理研究.福州大学博士论文,2006:58-6535刘威.钢管混凝土局部受压时的工作机理研究.福州大学博士论文,2005:56~60-52- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文36刘威.ABAQUS分析钢管混凝土轴压性能的若干问题研究.哈尔滨工业大学学报.2005,37(增刊):157~16037E.Ellobody,B.Young.DesignandBehaviourofConcrete-filledCold-formedStrainlessSteelTubeColumns.EngineeringStructures,2006,28(5):716-728.38E.Ellobody,B.Young,D.Lam.BehaviourofNormalandHighStrengthConcrete-filledCompactSteelTubeCircularStubColumns.JournalofConstructionalSteelResearch,2006,62(7):706-71539张凤亮,查晓雄,倪艳春.空心圆钢管混凝土柱延性系数的研究.建筑科学.2009,25(9):9~1340庄茁,张帆,岑松等.ABAQUS非线性有限分析与实例,科学出版社:2005,1~2,35~4041石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解.机械工业出版社,2007:1~542江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析.清华大学出版社,2005:225~22643K.A.S.Susantha,H.B.Ge,T.Usami.Uniaxialstress–strainrelationshipofconcreteconfinedbyvariousshapedsteeltubes.EngineeringStructures,2001,23(10):1331~1347.44屠永清.钢管混凝土压弯构件恢复力特性的研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.1994:98~10445石文龙,李国强,叶志明,刘秀华.平端板连接半刚性梁柱组合节点的弯矩-转角模型.沈阳建筑大学学报.2009,25(3):414~42046A.Azizinamini.InitialStiffnessofSemi-rigidSteelBeam-to-columnConnections.ConstructSteelResearch.1987,8:71-90.47A.S.James,T.L.Roberto.BoltedSteelConnections:TestsonT-stubComponents.JournalofStructuralEngineering,2000,126(1):50-56.48MA.Hadianfard,R.Razani.EffectsofSemi-rigidBehaviorofConnectionsintheReliabilityofSteelFrames.StructuralSafety,2003,25(2):123-138.49刘金宇,陈东兆.半刚性连接对钢框架结构受力性能的影响.低温建筑技术2009,6:67-6950中华人民共和国建设部.GB50017钢结构设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2003.51Cen,Eurocode3:DesignofSteelStructures-part1-8:designofjoints.2005.Brussels.-53- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文52李琪琳.连续倒塌中钢框架参数分析与钢混楼板碰撞仿真分析.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2008:8~1053林东欣.钢管混凝土框架拟动力地震反应试验研究.福州大学硕士学位论文.2000:21~24-54- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文攻读学位期间发表的学术论文1查晓雄,余敏,于磊.钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法及应用.发明类专利,201010213005.4,2010.-55- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《空心钢管混凝土框架结构抗震性能研究》,是本人在导师指导下,在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字:日期:年月日哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书《空心钢管混凝土框架结构抗震性能研究》系本人在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨工业大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨工业大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅,同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国知识资源总库》。本人授权哈尔滨工业大学,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于(请在以上相应方框内打“√”):保密□,在年解密后适用本授权书不保密□作者签名:日期:年月日导师签名:日期:年月日-56- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文致谢本文的研究工作是在导师査晓雄教授指导下完成的。査老师培育学生悉心指导,辛勤耕耘;科研上锐意创新,严谨求实;生活上崇尚节俭。从选题到有限元模型设计阶段,导师都给予指导和帮助,在整个学习过程中大力支持、信任,都使我得到很好的锻炼,收获很多。尤其需要特别指出的是,在有限元模拟阶段,査老师在百忙之中更是全程跟踪,作了详细的指导,对具体的操作办法进行了有效而又科学的点拨,此所谓传道受业解惑。本文顺利完成之际,向尊敬的导师査晓雄教授致以崇高的敬意和衷心的感谢。在研究生学习期间,城市与土木工程学科部的老师孜孜不倦教授专业课,并且介绍各领域的前沿研究,不但学习了专业课程,还开阔了视野,在此,向所有付出过辛勤劳动的老师表示感谢。感谢实验室余敏博士、于航博士对有限元程序调试过程中提供的帮助,也感谢秦培成、尹静、王洪欣、王海洋、王小璐、刘轶翔给予的帮助。同时感谢实验室及班上一切给予过帮助的老师与同学。另外感谢小学、中学、大学一直关注我成长的几位老师,是你们的关注和鼓励,让我有了战胜困难和前行的勇气,本文的成果也有你们的功劳。感谢父母始终如一的支持与无私的爱,感谢你们信任、鼓励和爱护。感谢母校哈尔滨工业大学,在哈工大的学习和生活的时间,是我成长的重要阶段,在这里,我受益匪浅。另外在这里还感谢中国建筑第五工程局有限公司在“钢混结构无焊接连接节点开发应用研究”这个项目中提供的支持。-57-
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