EXPERIMENTAL STUDY OF SEISMIC PERFORMANCE OF SECTION STEEL-STEEL PLATE CONCRETE COMPOSITE WALL1)

提出一种型钢-钢板混凝土组合墙,为了研究其抗震性能,设计制作该形式的型钢-钢板混凝土组合墙进行拟静力试验。通过改变试件的轴压比、剪跨比,研究其在低周往复载荷作用下的受力机理、滞回性能、刚度退化及耗能能力等。试验结果表明：试件的破坏形态为压弯破坏,组合墙两端方钢管正面及侧面发生撕裂,两侧底部钢板屈曲严重,混凝土压溃;随着轴压比减小,试件具有更好的塑性变形能力和耗能能力,剪跨比对组合墙的抗震性能影响较小。     

型钢再生混凝土梁受剪性能试验及承载力计算

为了研究型钢再生混凝土梁的受剪性能,以剪跨比、再生粗骨料取代率、混凝土强度等级为变化参数,设计了12个试件进行静力加载试验。通过试验观察了试件受力破坏过程及形态,获取其荷载-变形全过程曲线、极限承载力等数据,并分析了再生粗骨料取代率、剪跨比、混凝土强度等参数对试件受剪承载力的影响规律。在试验基础上,建立了型钢再生混凝土梁受剪承载力的拟合公式;分别采用国内外相关规范公式计算试件的受剪承载力,并与试验结果进行对比分析。结果表明：型钢再生混凝土梁根据剪跨比的不同,表现为剪切斜压破坏和剪切粘结破坏两种不同的形态;再生骨料取代率对试件的受剪承载力有不利影响,但影响不大,而剪跨比和混凝土强度则有较大影响;随着剪跨比的增大,试件的承载力显著降低;随着混凝土强度的提高,试件的承载力有一定的提高;拟合公式和《型钢混凝土组合结构技术规程》方法可适用于型钢再生混凝土梁的受剪承载力计算,而《钢骨混凝土结构设计规程》及日本规范方法计算结果小于试验值。     

波形钢板-混凝土组合剪力墙的非线性有限元分析

以波形钢板-混凝土组合剪力墙的试验研究为基础,利用ANSYS建立了考虑黏结滑移的有限元模型;分析了混凝土墙体和波形钢板在试件加载过程中的受力性能,通过将有限元模型计算与试验所得的荷载-位移曲线进行对比分析,得出计算结果与试验结果吻合较好的结论。研究了栓钉对波形钢板和混凝土变形协调的影响,结果表明:墙体下部栓钉滑移量大于上部栓钉滑移量,可增大下部栓钉强度,以改善波形钢板和混凝土墙体的变形协调关系。分析了不同参数对波形钢板-混凝土组合剪力墙受力性能的影响,包括栓钉直径、栓钉间距、钢板厚度、墙体厚度、轴压比等。分析结果表明:增大栓钉间距会降低组合墙承载力和延性;栓钉直径、波形钢板厚度、配筋率对试件承载力影响不大;波形钢板厚度为2mm或轴压比为0.40时,试件延性明显降低;型钢厚度、墙体厚度、轴压比、剪跨比对试件承载力影响较大。     

型钢再生混凝土组合柱水平承载力试验及计算方法研究

基于17个型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验,分析了再生粗骨料取代率、轴压比、体积配箍率以及剪跨比对组合柱水平承载力的影响规律。通过实测型钢腹板与翼缘,箍筋及纵筋的荷载-应变曲线,并结合组合柱的破坏形态特征,分析了型钢再生混凝土组合柱在水平荷载作用下的破坏机理。在此基础上,分别推导了型钢再生混凝土组合柱发生剪切斜压破坏和弯曲破坏时的理论计算公式。为了便于计算,本文提出了型钢再生混凝土组合柱水平承载力实用计算公式。结果表明,组合柱的计算水平承载力与试验值吻合较好,满足计算要求。上述研究结论可为型钢再生混凝土组合柱的抗震设计提供参考。     

方钢管型钢再生混凝土组合柱轴压性能试验研究

为研究方钢管型钢再生混凝土组合柱轴压性能,设置了长细比、再生骨料取代率、再生混凝土强度、型钢配钢率和方钢管宽厚比等参数,对13个试件进行单调静力加载试验,观察试件破坏过程及破坏形态,获取试件荷载-位移和荷载-应变曲线,分析设计参数对组合柱轴压受力性能的影响。结果表明:试件的破坏顺序均为型钢首先被压屈,随后再生混凝土被压碎,最后的破坏是因为钢管外表面发生鼓屈而丧失轴压承载力;提高长细比、钢管宽厚比和再生粗骨料取代率,组合柱轴压承载力的最大降幅分别为10.7%、24.8%和9.9%;相反,提高再生混凝土强度和型钢配钢率,组合柱的轴压承载力最大提高幅度分别为19.7%和14.3%;总体上看,试件均表现出较高的承载力和良好的变形能力。在此基础上,参考国内外相关规程,采用叠加原理,建立了方钢管型钢再生混凝土组合柱的轴压承载力公式,并验证了计算公式的有效性。     

L、T、十形截面型钢混凝土异形柱滞回性能对比分析

为了研究截面形状对型钢混凝土(SRC)异形柱滞回性能的影响,完成了4个L形、6个T形和2个+形截面SRC异形柱构件的低周反复荷载实验,并获取了此类构件的破坏形态和滞回曲线。在此基础上,对比分析了截面类型对SRC异形柱在耗能能力、变形性能及地震损伤等方面的影响。研究结果表明:型钢混凝土异形柱的破坏形态与剪跨比有关,剪跨比大的试件易发生弯曲型破坏,而小剪跨比的试件易发生剪切型破坏;L形柱的滞回环捏拢程度最大,其次为T形柱,最后为+形柱;+形柱和L形柱的相对受剪承载能力和耗能能力均比T形柱大;T形柱的变形能力要优于L形柱;型钢混凝土异形柱构件的相对损伤累积程度与柱肢数有关,其主要表现为随着柱肢数的增多,异形柱的损伤发展水平加快。     

型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点地震损伤研究

为研究型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点的地震损伤性能,对8个节点试件进行低周反复荷载试验研究,结果表明:节点核心区主要发生剪切斜压破坏,试件滞回曲线较为饱满,位移延性系数均值大于3.0,节点表现出较好的抗震性能。同时,基于最大变形和累积耗能的双参数准则,在Park-Ang地震损伤模型研究的基础上,通过引入组合系数α对该模型进行修正,计算节点的地震损伤指数,并以此评估分析再生粗骨料取代率和轴压比对节点地震损伤性能的影响。结合试验研究,将节点的地震损伤性态水平划分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和防止倒塌5类,并给出其相应的量化指标;在此基础上,建立不同性态水平下节点的损伤程度、破坏等级与量化指标的一一对应关系。研究结论可为型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点抗震性能化设计提供参考。     

轻钢沙漠砂陶粒混凝土剪力墙受压力学性能研究

通过对4组沙漠砂陶粒混凝土试块进行本构关系试验,对4片轻钢沙漠砂陶粒混凝土剪力墙墙肢试件进行轴压试验和有限元模拟,研究了此类剪力墙的轴压性能,分析了混凝土强度及端部薄壁型钢对其轴压性能的影响。研究表明:采用过镇海本构关系方程拟合的应力-应变曲线与试验曲线吻合较好,其相关系数在0.9以上,能够较为准确地反映沙漠砂陶粒混凝土在单轴受压荷载作用下的受力变形特征;随着混凝土强度的提升,试件承载力略有提升,但对试件变形能力的影响很小;在墙体两端预埋薄壁型钢可有效提高试件的抗压刚度和承载力,并能改善墙体变形能力;ABAQUS有限元分析结果与试验结果吻合良好,其相对误差在10.0%以内,能够较好地模拟轻钢沙漠砂陶粒混凝土剪力墙的轴压性能,其破坏形态为顶部混凝土压碎,钢丝网及薄壁型钢依次受压屈服。     

GFRP管型钢再生混凝土组合柱轴压性能及承载力计算

通过对11根玻璃纤维(GFRP)管型钢再生混凝土组合柱的静力加载试验以研究其轴压性能,主要考虑再生粗骨料取代率、配钢率和长细比、再生混凝土强度等级等设计参数,重点分析试件破坏过程及形态、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线和承载力等。结果表明:各试件试验过程及破坏形态相似,型钢先发生屈服,随后内部再生混凝土被压碎,最后外部GFRP管纤维撕裂破坏;试件轴压承载力随着取代率和长细比的增大而逐渐减小,其最大降幅分别为10.8%和9.5%;提高配钢率和再生混凝土强度对组合柱的轴压承载力是有利的,其最大增幅分别为14.1%和6.1%。在GFRP管的约束作用下,内部型钢再生混凝土处于三向受压状态,组合柱的承载力得到了显著提高。在此基础上,采用叠加原理并考虑再生粗骨料取代率及长细比的不利影响,提出GFRP管型钢再生混凝土组合柱的轴压承载力计算公式,计算值与试验吻合较好。     

框桁式复合墙体抗震性能试验及有限元分析

提出一种新型框桁式复合墙,由钢筋混凝土外框和内部桁式杆件构成。为了研究其抗震性能,按1∶2的缩尺比例初步设计和制作了3个单片框桁式复合墙体,进行了拟静力试验,并采用ABAQUS软件建立了有限元非线性分析模型,重点分析了轴压比、混凝土强度、箍筋配箍率及纵筋配筋率对其承载力和延性的影响。结果表明,墙体桁杆先于外框墙肢产生变形和破坏,最终在墙肢底部与桁杆围成的三角形部位由于弯矩值达到极限而发生破坏,破坏顺序明确,可达到多级耗能的目的;三个试件的延性系数均小于2.5,各试件延性系数的不同说明桁杆截面形式是影响墙体承载力的重要因素;随着轴压比、混凝土强度和纵筋配筋率的增大,试件承载力有不同程度的提高,试件的延性系数随轴压比和纵筋配筋率的增大而减小,随混凝土强度的增大而增大;箍筋配箍率对试件荷载-位移曲线、承载力和延性系数的影响很小;各因素对各项抗震性能的影响程度不同。     

新型外包钢混凝土组合梁框架结构抗震性能的试验

为克服型钢混凝土柱-钢梁组合框架结构体系存在的缺点,提出了一种新型外包钢混凝土组合梁-型钢混凝土柱组合框架结构体系。设计制作了一榀一跨两层型钢混凝土柱-外包钢砼梁的组合框架结构模型,并通过施加恒定竖向荷载和低周反复水平荷载,对模型框架进行了抗震性能试验研究。结果表明,基于现行规范及作者新研究外包钢组合梁计算理论所设计的型钢混凝土组合框架在地震时能形成梁铰破坏机制,框架的变形能力、承载能力、延性、耗能能力等均满足延性框架的抗震要求,且模型框架的有效延性系数达到了7.93。可见,新型型钢混凝土组合柱-外包钢混凝土组合梁框架结构的抗震性能优于钢框架结构和型钢混凝土柱-钢梁框架结构,可在高层建筑中应用。     

新型PEC柱-钢梁T形焊接加强型中节点抗震性能试验研究

为了进一步研究新型PEC柱-钢梁T形件焊接加强型中节点的抗震性能,考虑柱轴压力、PEC柱布置方式和钢板组合截面类型等设计参数,设计制作了4个中节点1∶1.6缩尺模型试件,并对其进行水平低周往复荷载试验,观测记录了各试件试验中钢材屈服或屈曲与混凝土裂缝与压溃现象,得到试件的荷载-位移滞回曲线和破坏模式。根据试验结果分析了试件的承载能力、节点连接转动刚度退化、耗能能力和节点传力机理等抗震性能。结果表明:PEC柱组合截面翼缘采取卷边措施增强了核心区混凝土的约束作用;PEC柱轴压力提高了节点的初始转动刚度,而受力变形过程中的二阶效应降低了其抗弯承载力并加快了梁截面进入屈服的损伤进程;所有试件均表现出良好的自复位功效;所有试件破坏模式均为加强T形件端部焊缝附近梁截面形成塑性铰,更好地满足"强节点弱构件"的设计要求。上述结果有助于对PEC柱-钢梁节点抗震性能的认识,可为PEC柱-钢梁组合结构设计规范制订以及工程应用提供参考。     

方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴压性能非线性分析

在方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴心受压试验研究的基础上,选择合理的再生混凝土和钢材本构模型,结合现有结构非线性分析理论,采用Abaqus有限元软件建立该组合短柱的有限元模型,并对该短柱轴压性能进行全过程非线性分析。主要研究其破坏形态、应力分布及荷载-应变关系曲线,分析再生骨料取代率、方钢管宽厚比、型钢配钢率和再生混凝土强度对该短柱轴压性能的影响规律,并将其与试验结果进行对比,同时对短柱进行有限元参数分析。结果表明,有限元计算结果与试验结果吻合较好,该有限元模型能较好地模拟方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴压性能;组合柱轴向承载力随再生骨料取代率的增加而有所降低,而随方钢管宽厚比、型钢配钢率和再生混凝土强度的增加而增加。总体上看,该组合短柱承载力高,变形能力较好,研究结论可为方钢管型钢再生混凝土组合柱的工程应用提供一定参考。     

单钢板混凝土剪力墙抗爆性能研究

钢板混凝土剪力墙作为一种新型的抗侧力构件，具有良好的耗能能力和抗冲击性能，已逐渐应用于建筑工程结构的抗震和防护结构的抗爆设计。设计了3个试件，分别为普通钢筋混凝土板、单侧钢板混凝土板和夹心钢板混凝土板，开展了钢板混凝土剪力墙的接触爆炸试验，并通过非线性程序LS-DYNA建立了3个钢板混凝土剪力墙试件的数值模型，对比分析了不同试件在接触爆炸作用下的动态响应、破坏模式和抗爆性能。试验和数值分析结果表明:接触爆炸作用下，试验设计的3种试件呈现3种破坏模式；普通钢筋混凝土板中部发生混凝土贯穿破坏，钢筋发生较大弯曲变形；单侧钢板混凝土板由于栓钉拔出发生钢板和混凝土分离，丧失整体性和继续承载能力；夹心钢板混凝土板发生上层混凝土压碎，夹心钢板、上层和下层混凝土板连接性能较强，整体性较好，具有继续承载的能力，且夹心钢板混凝土板跨中挠度和混凝土碎块飞溅距离较小。单侧钢板混凝土板和夹心钢板混凝土板配置钢筋网可以显著增强混凝土层和钢板的连接性能，有效减小上下层混凝土的碎裂和剥落，增强其整体性和抗爆性能。     

钢板混凝土组合剪力墙-钢连梁外肋板节点抗震性能有限元分析

为研究钢板混凝土组合剪力墙-钢连梁外肋板节点在低周反复荷载作用下的抗震性能,利用有限元软件ABAQUS进行了分析,研究了轴压比、钢连梁跨高比、外伸梁段翼缘长厚比的变化对抗震性能的影响。结果表明,外肋板墙梁节点滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力,在达到极限荷载后具有良好的延性和后期变形能力,满足节点延性的要求。轴压比对节点承载力和延性影响较小;钢连梁跨高比越大,节点承载力越低,延性呈上升趋势;外伸梁段翼缘长厚比增大,延性变差,承载力几乎不变,宜取18.75左右。     

型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点恢复力模型试验研究

为了建立型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架中节点的恢复力模型,进行了5个组合框架节点试件的低周反复荷载试验,观察试件破坏过程及形态特征,获取各试件的滞回曲线和骨架曲线,重点分析其滞回性能和抗震性能。试验结果表明,各节点试件均发生典型的剪切破坏形态,受力过程大致经历了弹性段、带裂缝工作段、屈服强化段及破坏4个阶段,节点滞回曲线呈较为饱满的梭形,位移延性系数均值为3.29,表现出较好的抗震性能。在此基础上,考虑节点试件受力特征,建立了适合型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点的四折线恢复力模型,该模型包括骨架曲线模型、刚度退化规律及滞回规则,计算曲线与试验曲线吻合较好,能够很好反映型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点在低周反复荷载作用下的滞回特性。本文研究结果可为节点抗震设计提供一定参考。     

火灾下双钢板-混凝土组合墙抗冲击机理分析与挠度预测

双钢板-混凝土组合墙（steel-concrete composite wall, SC wall）常用于核电站、超高层等重要结构的承重构件,其在偶然荷载作用下的力学性能也是其推广应用的关键指标。为此,针对火灾下SC墙的抗冲击性能进行研究并给出相关设计建议。首先建立了SC墙在火灾与冲击耦合作用下的有限元模型,在验证模型可靠性基础上,开展了火灾下SC墙抗冲击机理的分析;然后研究了轴力、受火时间、材料强度、冲击能量与抗剪连接件形式等参数对SC墙在火灾下抗冲击性能的影响规律;最后给出了该类构件在耦合工况下跨中峰值挠度的预测公式。结果表明：随着受火时间的增加,SC墙受冲击变形模式由局部冲切逐渐转变为整体弯曲破坏;火灾下,混凝土为SC墙受冲击的主要耗能部件;混凝土强度、轴力与抗剪连接件形式对SC墙在高温下的抗冲击性能影响显著,钢板强度的影响则较小;建议的公式可较合理地预测火灾下SC墙受冲击后的跨中峰值挠度。     

圆钢管型钢再生混凝土短柱轴心受压试验及有限元分析

为研究圆钢管型钢再生混凝土短柱的轴压性能,本文对9根短柱进行了轴心受压试验,分析了短柱的破坏形态及设计参数对其轴压性能的影响。结果表明:短柱破坏形式为型钢先屈服然后钢管表面发生外鼓变形破坏,核心再生混凝土主要发生剪切破坏和压溃破坏;短柱轴压承载力随再生粗骨料取代率的增大而降低,但仍表现出良好的变形能力;增大钢管壁厚和型钢配钢率对短柱轴压性能是有利的。此外,通过ABAQUS软件对该短柱轴压性能进行了有限元分析,获取了短柱的整体变形图、应力云图及轴向荷载-应变曲线,并与试验结果进行对比。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合较好。在此基础上,本文对该短柱轴压性能进行了参数分析。分析表明:短柱轴压承载力随再生混凝土强度的提高而增大,但变形能力有所降低;短柱轴压承载力随钢管及型钢强度的提高而增大,对变形能力影响不明显。上述研究结论对圆钢管型钢再生混凝土短柱的推广应用具有积极意义。     

配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能,以混凝土强度、体积配箍率和配箍形式为变化参数设计6个试件进行轴心受压加载试验。试验结果表明,所有试件的破坏形态和荷载-轴向位移曲线相似,配螺旋箍筋的试件变形性能要优于配普通箍筋试件,配矩形螺旋箍筋的试件极限承载力随混凝土强度、体积配箍率的增加而提高。在试验基础上,采用基于叠加理论的计算方法对配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压承载力进行计算,给出了相关设计建议,研究结果可为配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱的工程应用提供科学依据。     

基于统一强度理论的圆钢管型钢再生混凝土短柱轴压承载力分析

对9根圆钢管型钢再生混凝土短柱进行了轴心受压试验,主要考虑了再生粗骨料取代率、径厚比、型钢配钢率对试件轴压承载力的影响。试验结果表明:试件轴压承载力随着取代率的增加而逐渐减小,随径厚比的减小和型钢配钢率的增大而增大,说明该柱具有较高的承载力和良好的延性变形能力。在试验研究基础上,采用统一强度理论对圆钢管型钢再生混凝土短柱轴压极限承载力进行了理论分析;采用厚壁圆筒统一强度理论计算了钢管对核心型钢再生混凝土的约束应力;推导了该短柱的轴压承载力计算公式,并对其影响因素进行了分析。结果表明:计算值与试验值之比的均值和方差分别为0.99和0.001,吻合较好,表明统一强度理论对圆钢管型钢再生混凝土轴压短柱的理论计算有很好的适用性;此外,当材料的拉压比α(α=1时,拉压同性材料;α≠1时,拉压异性材料)一定时,试件轴压承载力随着材料强度参数b(0≤b≤1)的增大而增大;当材料强度参数b值一定且α≠1时,试件轴压承载力随着α的增大而增大;此外,试件轴压承载力随着径厚比的增加而呈递减趋势;试件承载力提高系数随着再生混凝土强度的增大而减小。研究结论可为圆钢管型钢再生混凝土组合短柱的设计与计算提供理论参考。