新型装配式SCFST柱-RC梁组合框撑结构抗震性能研究

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近年来,钢管混凝土(Concrete Filled Steel Tubular,CFST)柱-钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)梁框架结构被越来越多地应用到了实际工程中,有关CFST柱-RC梁节点及框架的理论及试验研究也得到一定开展。相关研究及工程实践表明,此类结构可充分发挥材料性能优势,具有合理的失效机制、优良的抗震性能及耐火性能,具有良好的工程应用前景。  然而,现存CFST柱-RC梁框架结构的研究均针对现浇结构或部分现浇结构,施工工序较为复杂;并且,相关研究多针对现有CFST柱-RC梁组合节点的力学及抗震性能,对该类结构整体抗震性能的研究极少。另外,钢管混凝土柱作为一种承载力高、抗震性能及耐火性能好的结构构件,多被应用于高层建筑中,而对于高层建筑,仅依靠钢管混凝土柱作为抗侧移构件往往会使得结构的抗侧移刚度不足从而整体侧移变形过大,则考虑在CFST柱-RC梁框架结构中加入适宜的抗侧移耗能构件,可使该类结构在高层建筑中得以推广应用。围绕上述问题,本文的主要研究工作和取得的成果如下:  ①提出新型装配式方钢管混凝土(Square Concrete Filled Steel Tubular,SCFST)柱-RC梁组合框撑结构,对该类结构在地震作用下的受力原理、侧力分配方式及失效机制进行了设计,对该类装配式结构的施工工法作出了介绍;  ②针对CFST柱-RC梁框架结构在整体抗震性能方面的空缺,设计了缩尺比为1∶3的6层新型装配式SCFST柱-RC梁组合框撑结构模型,对其进行了多种烈度下的模拟地震振动台试验,获得了模型结构的动力特性以及在地震作用下的动力响应,将模型结构与前期进行的足尺梁柱节点和单榀框架拟静力试验试件的失效机制和破坏模式进行了对比,验证了预期的失效机制和破坏模式,找出了结构可能存在的薄弱环节。  ③建立了新型框撑结构整体非线性动力分析模型,采用Fortran语言编写了多种类型构件(钢筋混凝土构件、钢管混凝土构件、型钢混凝土构件)的混合纤维单元子程序、生死单元子程序以及塑性铰判定子程序,将其植入大型商业有限元软件MSC.MARC进行了结构整体非线性动力有限元分析,并将有限元分析结果与振动台试验结果进行了对比,验证了数值方法的可靠性;通过对比有支撑框撑结构和无支撑框架结构的侧移响应,分析了在框架结构中加入支撑对减小结构水平侧移的作用。  ④对40个具有不同高度、不同刚度比的新型结构进行了参数分析,给出了适用于新型框撑结构的合理刚度特征值。  ⑤在合理刚度特征值取值范围内,基于一致目标层间侧移理念,提出了新型框撑结构的整体优化设计方法,并通过算例及模态Pushover分析验证了该设计方法的可行性与优越性。  最后,对全文工作进行了总结并提出了该新型结构未来的研究及应用展望。
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