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剛砼組合結構 總結篇.doc

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?.新型鋼砼組合結構構件的研究與應用鋼管砼柱鋼筋砼梁、鋼骨砼柱鋼筋砼梁、鋼筋砼柱鋼與砼組合梁等組成框架,用鋼管砼柱鋼筋砼無梁樓蓋組成板柱結構,還有鋼骨砼桁架轉換層結構等,從而形成以鋼砼組合構件為主要承重構件的新型結構體系,在此,稱其為“新型鋼砼組合結構”.2在高層建筑中采用“新型鋼砼組合結構”,最主要的問題是不同構件間的連接問題,包括接方式、傳力機理、抗震性能、構造措施、以及施工方法等一.開小孔的鋼管砼軸心受壓短柱試驗研究及有限元分析有限元分析和試驗結果均表明:①在梁柱節點處開豎槽,當不采取措施時,對承載力有較大的影響;如果設腹板穿越豎槽后與鋼管可靠焊接,則對承載力的影響甚微,但大變形時焊縫可能脆裂.②當開孔面積不大時,水平槽比豎向槽的影響小得多,若再穿入鋼筋則可不必采取其補強措施.③設上下環箍可彌補開豎槽的影響,當豎槽不大時,增強增韌效果較好.④在鋼管上開小孔槽的面積、數量應通過計算后確定.二..鋼管砼柱鋼筋砼梁節點1 暗牛腿節點[如圖所示,暗牛腿焊于鋼管壁上,梁內鋼筋焊于牛腿上下翼緣上.試驗表明,塑性鉸出現在牛腿與梁的交界面處,適用于梁內配筋不多的情況[2,3].2 暗牛腿梁筋穿心節點[1,2]當采用暗牛腿節點但梁內鋼筋數量較多時,可將少量鋼筋穿越核心區此時,塑性鉸同樣出現在牛腿與梁交界處,研究表明,穿心鋼筋數量應少于梁中正或負鋼筋的1/3,且在鋼管上宜一筋一孔,孔間距大于等于3d.3 鋼筋砼環梁節點梁的上、下鋼筋均錨入環梁內,在鋼管壁上要焊上抗剪銷釘.試驗時經認真測定,此乃剛性節點,塑性鉸出現在環與梁的交界處,梁內鋼筋錨固可靠.圖6示出了有限元單元劃分及應力分布,證明試驗結果可信.應注意的是梁內鋼筋不宜過多,節點處相交的梁不能多于3根,以方便施工.4 暗牛腿環梁節點[1~3]當梁跨及荷載均較大因而梁內鋼筋數量較多時,可將上述方案進行組合,形成圖7所示的暗牛腿環梁節點.此時,暗牛腿焊于鋼管壁上,梁內鋼筋的2/3焊于鋼翼緣頂、底面上,1/3錨入400 mm寬的鋼筋砼環梁內.測試結果表明,這種節點的抗震性能優良,梁傳入的彎矩和剪力主要暗牛腿及起“葫蘆節”的環梁傳遞給鋼管砼柱.環梁鋼筋也有一定的應力,起到了環箍作用.其中,曾對牛腿腹板穿越核心區的方案作過試驗研究,對比試驗結果,有了鋼筋砼環梁后,不必采取這一措施.5 鋼加強環鋼管砼節點[4]當一個節點處同時有4~5根梁相交,或者是有斜交梁且交角較小時,再采用鋼筋砼環梁的方案就不易滿足要求.多數節點處相交有5根梁,部分節點處則為斜交梁,這使設計工作帶來了一定的困難.為此,采用鋼加強環鋼管砼節點進行了3個中節點、1個邊節點的試驗研究.其中,2個中節點的梁內縱筋的1/3焊在鋼加強環上,1/3縱筋錨入鋼加強環間的砼中,另1/3縱筋則穿越鋼管及核心砼(見圖9,試件JD1,JD2);另1個中節點將2/3梁內縱筋焊于鋼加強環上,1/3縱筋錨入加強環間砼中(見圖10,試件JD3);邊節點試件JD4如圖11所示.實測結果表明:1)鋼加強環鋼管砼節點的環與柱間相對轉角較小,因而屬剛性節點;2)與鋼筋砼加強環一樣,可使梁端塑性鉸出現在環與梁的交界處;3)鋼管砼柱的直徑一般在1 m以上,少量梁內鋼筋穿過節點核心區時的粘結性能很好,這樣還可改善鋼加強環的受力條件;4)當梁較多且有夾角較小的斜梁相交時,梁內縱筋可分別與鋼加強環焊接、錨入上下鋼加強環間砼中、穿過節點核心區,設計及施工時應有詳圖.三. 鋼管砼板柱節點的試驗研究鋼管砼板柱節點的研究,提出了不設柱帽、采用鋼制環向牛腿(剪力環)的板柱節點,同時對平板施加預應力.對2種類型的模型進行了試驗,2種類型的普通鋼筋配置相同,預應力鋼筋配筋量也相同,所不同的是試件S1的預應力鋼筋不穿越鋼管及核心砼區,而試件S2的部分預應力鋼筋穿越了鋼管及核心砼區,配筋及剪力環等如圖13所示.試驗的主要結論:1)設內埋剪力環是一種值得推廣的節點型式,剪力環能較好地與砼板共同工作,協調變形,具有拉桿拱機制;2)設置剪力環后,可使沖切破壞面外延至環邊處,從而有效地提高受沖切承載力;3)鋼管內核心砼鋼管剪力環形成為廣義的核心區,板內少量預應力鋼筋的穿越對受力和變形性能沒有影響;4)預應力可有效地抑制斜裂縫的開展,增大了剪壓區,提高了受沖切承載力.四.鋼管砼柱與鋼筋砼柱接頭抗震性能的試驗研究鋼管砼柱在軸心受壓或小偏心受壓時承載力較大,配以高強砼后,應用效果尤為突出.然而,在高層建筑上部的軸力將逐漸減小,鋼管砼柱成為大偏心受壓構件,砼三向受壓的優越性得不到發揮,結構設計中可將其改為鋼筋砼柱.由鋼管砼柱過渡到鋼筋砼柱,必然會出現剛度突變的問題,甚至形成薄弱層.為了解決上述問題,經研究提出了2種措施,一是分批、分層轉換;二是采用抗震性能優良的轉換接頭.對鋼管砼柱與鋼筋砼柱2種接頭方案進行了擬動力試驗.方案1是將鋼筋砼柱的縱向鋼筋直接插入下層的鋼管砼柱中,并保證足夠的錨固長度;方案2是在上述鋼筋砼柱與鋼管砼柱接頭處上下一定范圍內插鋼管(見圖15).對試驗結果的分析表明:在地震作用較小時,兩者的水平位移基本相同;當砼裂縫出現后,普通鋼筋砼柱的裂縫寬度不斷增大,塑性發展較快且難以控制,而內插鋼管的鋼筋砼柱裂縫和位移均可得到有效的控制,耗能能力為普通鋼筋砼柱的2倍左右.從結構抗震整體性能角度看,在轉換節點處內插鋼管,可有效地減少結構的塑性位移,增加結構的耗能能力,起到加強薄弱層的作用,值得推廣應用《開口薄壁桿件的約束扭轉理論?》在役石拱橋的鋼 , 混凝土組合結構加固法郭風琪,余志武( 中南大學 土木工程學院,湖南 長沙 。)加固方案石拱橋常用加固方法有增大截面,減輕恒載,改變結構體系,增加輔助構件等,經過現場調查和分析,該橋初擬加固方法為,腹拱圈采用鋼絲網噴射高強復合砂漿方法進行補強,而對主拱圈,則提出 ( 種方案進行技術經濟比較)鋼 D 混凝土組合結構加固方案主拱圈的加固采用在鋼板上焊接栓釘,在主拱圈上植筋,在鋼板與原主拱圈截面之間新澆自密實混凝土,通過混凝土的連接和栓釘與植筋的相互咬合形成共同受力的鋼 , 混凝土組合截面,斷面布置見圖 新型鋼-混凝土組合結構的應用與展望*白曉紅 白國良(西安建筑科技大學土木工程學院 西安 710055)1 組合結構的概念和類型從材料性能與組合的效果,以及經濟性和實際應用上來看,作為與土木工程相關的組合結構,鋼與混凝土或鋼與鋼筋混凝土的組合仍然最具適用性,被大量研究和應用。組合結果即是:至少應使用兩種以上的材料,不包括只單獨發揮各自作用的、單純重疊的和單獨承受外部作用的形式,材料之間必須能以某種形式傳遞荷載或作用。就材料而言,“組合”的目的是希望得到單一材料不具有的力學性能和改善單一(或兩種)材料組成構件或結構的綜合性能。組合結構是組合異種材料構成結構構件,并作為完整整體而發揮作用的結構。它包括:鋼管混凝土結構(ConcreteFilled Steel Tubular Structures);型鋼鋼筋混凝土結構;其他類鋼。省略部分。和多邊形鋼管混凝土組合柱等,具有良好的受壓性能. 不同截面形狀鋼管混凝土構件中鋼管的局部屈曲引起的強度與剛度退化,鋼管的寬厚比與鋼材彈性性能及屈服性能等均會對其產生影響.組合梁、柱的連接節點是組合框架結構中傳力的樞紐和受力的重要部位,復雜地震作用下組合節點區域的受力機理、破壞模式對于組合結構的地震災變過程將起到關鍵的作用,因此對組合節點的研究成為最近組合結構抗震研究領域的熱點對于組合梁柱構件、組合節點的試驗均采用擬靜力試驗方法,擬靜力試驗較易實現,加載速度慢,可以詳細地觀察組合節點、組合構件、鋼組件和混凝土組件及其連接組件的損傷演化、破壞失效的全過程. 但是試驗中施加的是靜力作用而非動力作用,地震動力作用下組合構件、組合節點的承載力與剛度的退化規律、變形耗能能力及構件中組合作用的發揮與失效過程等,因此擬靜力試驗并不能完全反映地震作用下組合構件與節點的真實情況.對于組合框架的試驗研究基本采用擬靜力試驗方法或擬動力試驗方法,擬動力試驗中載荷的施加與結構剛度密切相關,但其加載速度與擬靜力試驗相當. 組合框架的振動臺試驗則是對組合框架試件輸入地震波,直接進行動力試驗,但是也存在不足:受客觀加載能力的限制,組合框架結構只能進行縮尺模型試驗,由于組合框架中的組合構件及其連接節點均較為復雜,縮尺模型難以實現實際結構的構造細節;試驗中輸入地震波的強度及時間受到限制,僅限觀察組合框架的變形能力、變形特征等基本抗震性能,不能做到組合框架倒塌破壞以防止對振動臺造成損壞,因此難以觀察結構由非線性到倒塌破壞的全過程. 宏觀模型是所謂的傳統 “桿系有限元模型” 的擴展,不僅僅局限于采用宏觀梁單元模擬梁柱構件、采用鉸彈簧模擬節點的模式,而是基于構件或結構的作用機理,采用多個梁單元、彈簧單元或約束方程組成宏觀單元模塊來模擬構件或結構,尤其是可采用非線性連接單元模塊模擬組合構件中鋼與混凝土不同組件的交互作用、構件之間的復雜傳力機制,為微觀力學行為在宏觀尺度模型上的表征創造了條件.借鑒鋼筋混凝土結構抗震性能的評價方法,評價組合結構抗震性能的指標參數可采用層間位移角、裂縫寬度、塑形耗能和延性系數等. 通過研究組合結構地震災變過程及各指標參數的變化規律,并對組合結構大量試驗數據進行統計分析,從而確立組合結構抗震性能水平及基于評價指標的性能水平劃分方法.鋼.混凝土組合結構的抗火性能研究進展火災引起結構失效造成的間接經濟損失,約為火災直接經濟損失的 3 倍左右1對鋼管混凝土柱進行抗火研究的代表性人物有韓林海(,)在確定高溫下組成鋼管混凝土的鋼材和核心混凝土的應力*應變關系模型的基礎上"建立了鋼管混凝土柱耐火極限和火災下力學性能的數值分析模型"并利用所建立的數值分析模型"進一步分析了火災荷載比、材料強度,截面含鋼率,橫截面尺寸,構件長細比和荷載偏心率等參數對鋼混凝土構件耐火極限和承載力的影響規律"提出了承載力和防火保護層厚度的實用計算方法,對恒高溫作用后鋼管混凝土軸心受壓力學特性進行了理論分析和試驗研究"確定了組成鋼管混凝土的鋼材和混凝土在高溫作用后的應力*應變關系模型, 在此基礎上"利用數值分析方法計算出火災后鋼管混凝土壓彎構件的荷載*變形關系曲線"理論結果和試驗結果吻合較好, 在系統分析了火災持續時間, 構件截面含鋼率,鋼材和混凝土強度,荷載偏心率和構件截面尺寸等因素對火災作用后鋼管混凝土構件承載力影響規律的基礎上"提出了火災作用后鋼管混凝土構件承載力的簡化計算方法, (/)對火災作用后的鋼管混凝土構件及用cfpr修復后的鋼管混凝土構件的滯回性能進行了研究"這對于合理進行鋼管混凝土結構火災后的抗震修復具有重要意義,加拿大國家研究委員會的研究人員lie、kodur采用有限差分法計算了鋼管混凝土柱橫截面的溫度場"并建立了數學模型"可用于計算諸如輕質混凝土,硅質混凝土等各種混凝土類型的鋼管混凝土柱的耐火極限"理論計算得到了試驗結果的驗證。 等還利用數學模型進行了參數分析"包括火災時作用在構件上的荷載大小,構件截面尺寸,構件計算長度,混凝土強度和截面含鋼率等"從而確定了影響鋼管混凝土柱耐火極限的因素。2 鋼-混凝土組合樓蓋體系的抗火研究探討的鋼-混凝土組合樓蓋體系由鋼梁,壓型鋼板-混凝土組合樓板組成"鋼梁通過剪切連接件與壓型鋼板及混凝土板組合形成組合梁。樓板的破壞條件,即假定當樓板的最大撓度達到臨界撓度時,樓板即宣告破壞, 該臨界撓度等于熱撓度和機械撓度之和。 (1)荷載比對組合梁耐火時間影響非常顯著(2) 荷載比一定時,混凝土材料強度?;炷涟逵行б砭墝挾?。鋼梁材料強度對組合梁的耐火極限影響很小,而混凝土板厚度。鋼梁截面尺寸。防火涂料的厚度對組合梁耐火極限的影響非常顯著。組合梁為固支邊界條件時,鋼梁端部下翼緣會發生局部屈曲, 并在試驗與理論分析的基礎上,提出了組合梁抗火設計的實用計算方法。3梁柱節點抗火研究高溫下梁柱節點強度和剛度的退化對整體結構在火災下的性能會產生顯著影響,因此研究梁柱節點的高溫力學性能是研究整體結構在火災下力學性能和抗火設計方法的前提和基礎,火災下節點的彎矩承載能力是常溫下彎矩承載能力的 2/3鋼梁和混凝土板的組合作用可以增強節點的抗彎能力,二.鋼"混凝土組合結構抗火研究的發展趨勢1以上所述的組合構件和結構大部分都是按照標準的火災升溫曲線進行試驗的,而真實的建筑室內火災發展經歷初期增長)充分發展和衰減三個階段, 并不完全符合標準的升溫曲線,因此如何更科學合理地確定結構所處的火災環境。包括一般室內火災和大空間建筑火災,仍是目前的研究趨勢,2火災下樓蓋體系的薄膜效應及坍塌破壞機制等問題需要進一步研究,包括樓蓋體系的類型)約束條件)受熱機制)鋼筋的布置等各種因素對樓蓋體系抗火性能的影響)如何更精確地對樓蓋體系的薄膜效應進行數值模擬,以及如何建立合理的設計計算方法等等。3由cardington 的足尺火災的試驗分析得出(節點對提高整體結構的抗火能力有著顯著的影響,特別是當結構發生大變形的情況時,目前對結構連接節點的工作機理仍缺乏足夠的理論研究和試驗驗證,因此有必要對其包括延性和承載能力等各方面的火災性能進行更全面和深入的研究。4試驗爐中進行的單個構件的火災試驗,科 技 通 報 第 ," 卷并不能完全反映構件在結構中的抗火性能,因此有必要對火災下整體結構的結構反應" 承載能力"破壞準則"倒塌機制以及數值模擬等問題開展更為廣泛和深入的研究。5結構抗火設計方法還需要不斷完善。 目前的抗火設計方法還是基于構件層次的,不能完全反映建筑物的火災特性??臻g特性和結構特性的影響,也不能滿足建筑結構可靠性和最優成本的要求,因此有必要基于建筑物的整體消防安全目標確定結構的抗火設計要求,對結構進行基于性能目標要求的抗火設計。除此之外,高溫下和高溫后混凝土多軸應力狀態下的力學特性?;馂南赂邚娀炷恋谋褭C理?;馂暮蠼M合結構的力學性能和承載力損傷。一些新型組合結構如型鋼混凝土結構和 frp約束混凝土結構的火災行為和抗火性能。結構火災風險性能化評估方法。結構抗火試驗新技術以及開發結構抗火性能分析的大型專用軟件等問題的研究也有待于深入開展。.
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