矩形钢管混凝土翼缘—蜂窝钢腹板组合梁抗弯与抗震性能研究

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传统的钢结构和钢筋混凝土结构已广泛应用于各类建筑体系中。随着社会经济的快速发展,建筑体系不断向大跨、重载的方向发展,传统的钢结构稳定性较差,钢筋混凝土结构自重大的问题凸显,已经无法很好地满足建筑结构的需要。随着建筑材料和施工工艺的不断发展,建筑结构由单一结构逐渐向组合结构转变。基于此课题组提出了一种矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板组合梁柱构成的新型装配式框架结构,该组合框架由矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板组合柱和矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板(SHC)组合梁通过整体式节点装配连接形成。矩形钢管混凝土翼缘组合梁刚度大,稳定性好,不易发生结构失稳,外部钢管有效约束内部混凝土变形,防止混凝土发生脆性破坏。蜂窝钢腹板可以减小结构的自重,并且管线系统可以通过蜂窝进行布置,使建筑结构更加美观。该新型框架体系以其诸多优点将在多高层建筑和桥梁中被广泛应用。到目前为止,对矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板(SHC)组合梁力学性能研究的报道较少,其抗弯性能和抗震性能尚不明确,破坏机理不清晰,因此本文开展该类组合梁的抗弯性能和抗震性能研究,提出其抗弯承载力和破坏机理,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文主要的研究内容如下:1、采用ABAQUS有限元软件,引入钢管和混凝土的非线性本构模型,建立19根钢管混凝土组合梁有限元模型,进行三分点加载作用下的数值分析,提取出试件跨中的荷载-位移曲线和变形,将有限元软件模拟结果与试验数据进行对比,两者吻合较好,证明了本文所选取的材料本构模型和建模方法的正确性。2、为了更好的研究足尺的钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板组合梁的抗弯性能,以混凝土的强度等级(fck)、钢材的强度等级(fyfk)、跨高比(L/H)、距高比(s/hw)、翼缘钢板厚度(t1)、腹板厚度(t2)和孔高比(d/hw)为控制参数,设计了26根足尺的SHC组合梁构件,考察不同影响因素对足尺组合梁抗弯性能的影响,得到该类足尺组合梁的荷载-位移曲线、钢材和混凝土的应力-位移曲线、不同截面的应变分布,分析该类组合梁的破坏形态和破坏机理。结果表明,截面应变基本符合平截面假定,随着混凝土强度等级和钢材强度等级的不断提高,组合梁梁的承载力不断提高;腹板厚度和翼缘钢管的厚度增加均会提高组合梁的承载力,距高比对组合梁的承载力影响不大。最后,给出该类足尺组合梁合理的设计建议,基于有限元大量的模拟结果,建立足尺的钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板组合梁的正截面抗弯承载力计算公式。3、以混凝土的强度等级(fck)、钢材的强度等级(fyfk)、跨高比(L/H)、距高比(s/hw)、翼缘钢板厚度(t1)、腹板厚度(t2)和孔高比(d/hw)为控制参数,开展SHC组合梁的滞回性能分析,研究不同参数下SHC组合梁滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、刚度退化的变化规律。结果表明,组合梁的整体抗震性能较好,滞回曲线基本上为饱满的梭形。试件的混凝土强度等级、钢材强度等级、跨高比、腹板和翼缘钢管厚度对组合梁的抗震性能影响明显,孔高比和距高比对组合梁的影响甚微。增加钢管的强度等级可以增加组合梁塑性变形能力。最后给出该类组合梁的抗震设计建议,为该类组合梁在实际工程中的推广应用提供理论支撑。
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