（岩土工程专业论文）钢骨混凝土异形短柱承载力和延性的研究.pdf

摘要 钢骨混凝土异形短柱承载力和延性的研究 学科名称：岩土工程 作者姓名：李哲 导师姓名：郭增玉、黄松梅 导师职称：教授 答辩日期：2 0 0 7 3 作者签名：捌 导师签名：叮t 曾毛7 摘要 近年来，异形柱框架结构的研究在我国已经取得了不少的研究成果。现有的研究资料表明，异形 柱框架结构具有的突出优点，如质轻，使用面积大等，缺点是相对于矩形柱受力性能和延性较差因 此，如何保持在现有截面大小的情况下，同时提高异形柱受力性能及延性具有重要的工程意义。 综合钢筋混凝土异形柱和钢骨混凝士矩形柱的特点，本文首次提出在异形柱中加入钢骨，通过试 验研究和数值仿真分析对钢骨混凝土异形短柱的承载力和抗震性能进行了研究本文所做的主要工作 有： 研究了钢骨混凝土异形短柱的抗震性能。通过钢骨和钢筋混凝土异形短柱的对比试验，分析钢骨 混凝土异形短柱的破坏形态和滞回曲线特性，研究了轴压力系数、配箍率、配骨率和剪跨比等因素对 钢骨混凝土异形短柱延性的影响，得出了各影响因素与延性系数的关系曲线本文根据试验结果、在 满足一定延性的基础上，提出了钢骨混凝异形短柱的轴压比限值。 研究钢骨混凝土异形柱的轴压承载力。通过对钢筋混凝土与钢骨混凝土异形柱做轴向受压承载 力的对比试验，得出在增加少量钢骨的情况下，承载力明显提高的结论。并提出了钢骨l 形和t 形短 柱的轴压承载力计算公式，计算结果和试验值吻合较好 研究钢骨混凝土t 形短柱的抗剪承载力分析了剪跨比、轴压比、配骨率、配箍率等因素对抗剪 承载力的影响，得出了基于累加强度法的钢骨混凝土t 形短柱的抗剪承载力计算公式，计算结果与试 验值吻合较好。 运用有限元软件对钢筋和钢骨混凝土异形柱轴向受压和钢骨t 形短柱抗剪性能进行数值仿真分 析。结果表明，有限元软件计算结果与试验结果吻合较好。由于试验试件数量有限，本文同时运用有 限元软件对8 根考虑配骨率和剪跨比变化的钢骨混凝土t 形短柱进行仿真试验分析。 关键词：钢骨混凝土异形短柱；轴向受压承载力；抗剪承载力；抗震性能；位移延性；a n s y s b s i k c l s t u d yo nt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd u c t i l i t yo fs t e e l r e i n f o r c e dc o n c r e t es p e c l a l - s h a p e ds h o r tc o l u m n s e x p e r i m e n l a la n dn u m e r i c a lm e t h o d s m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：uz h e d a t a ：2 0 0 7 3 a d v i s o r ：g u oz e n g y uh u a n gs o n g m e i s i g n a t u r e ：1 ：z 厶屯 t i t l e ：p r o f e s s o rs i g n a t u r e ：g o j “，j a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , c o n s i d e r a b l er e s e a r c hr e s u l t sh a db e e no b t a i n e do nt h er e i n f o r c e dc o n c r e t e s p e c i a l s h a p e ds h o r tc o l u m n ( r c s s c ) f r a m ei nc h i n a , f i o mw h i c h , c o m p a r e dw i t hc o m m o nf i a r n c s ，i tc a l l b ec o n c l u d e dt h a tt h e r ea r em a n yu n i q u ea d v a n t a g e so ft h i sk i n do ff r a m e s u c h l e s sw e i g h ta n dm o r e u s a b l ea r e a , b u tt h e r ea r ea l s os o m ed i s a d v a n t a g e s s u c h 够w e a k e rs e c t i o na n dl e s sd u c t i l i t y t h e r e f o r e ，i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et oi n c r e a s et h ea x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dd u c t i l i t yo f s r c s s c w h e nt h es a m ea r e ao f t h es e c t i o ni np r a c t i c a la n g i n e e d n gi sk e p t i nv i e wo ft h eg r e a ta c h i e v e m e n t so nt h es t u d yo fs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，t h ep e r f o r m a n c e so ft h e s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es p e c i a l s h a p e ds h o r tc o l u m n ( s r c s s c ) a r es t u d i e db ys o m ee x p e r i m e n t s ，w h e r e s t e e lb a r sa r ea d d e d a tt h es a m et i m e i tc 觚b er e g a r d e da sap r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o ni nt h ef i e l do f r e i n f o r c i n gt h ef o u n d a t i o nf o r t h eb u i l d i n g t h r o u g ht h es y n t h e t i c a la n a l y s i so nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fb o t ht h er c s s ca n dt h es t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t er e c t a n g u l a r - s h a p e dc o l u m n , t h es u g g e s t i o nt h a tt h es t e e lb a r sa r ea d d e di ns p e c i a l - s h a p e ds h o r t c o l u m n sh a sb e e nf i r s t l yp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b o t ht h es t r e n g t hp r o p e r t ya n dt h ea n t i s e i s m i cp r o p e r t y o ft h es r c s s ch a v eb e e ns t u d i e dt h r o u g ht h et e s ta n dt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d ，r e s p e c t i v e l y t h e r e s e a r c hw o r ka n dt h em a i nc o n c l u s i o n sc a l lb el i s t e da sf o l l o w s t h er e s e a r c ho f s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es h a p e ds h o r tc o l u m ni na n t i s e i s m i cp e r f o r m a n c ei sc a r r i e do u t t h ef a c t o r ss u c ha sa x i a lp r e s s u r er a t i o ，s h e a rs p a nr a t i o ，h o o p e dr a t i o ，s t e e lr a t i oa n ds oo n , w h i c ha f f e c tt h e d u c t i l i t yo fs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t et - s h a p e ds h o r tc o l u m nh a v eb e e na n a l y z e d t h er e l a t i v ec u r v e s b e w c e n f a c t o r s a n d d u c t i l i t y a r e o b t a i n e d t h e s u g g e s t e d l i m i t v a l u e s o f a x i a l p r e s s u r er a t i o o f s t e e lr e i n f o r c e d c o n c r e t et - s h a p e ds h o r tc o l u m n sa r ep r o p o s e dt h r o u g ht h et e s t , w h i c hs a t i s f yc e r t a i nr e q u i r e m e n to f d u c t i l i t y i nt h i sp a p e r , t e s t sa r ec a r r i e do u to na x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fb o t ht h el 。s h a p ea n dt h et - s h a p e s h o r tc o l u m n s w h e ns t e e lb a r sa r ea d d e di nt h e m ，i ti n d i c a t e st h a tt h ea x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h e s e c o l u m n sc a nb ei m p r o v e d t h ea x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t hf o r m u l ao fb o t ht h es t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e l - s h a p e dc o l u m n sa n dt h et - s h a p e dc o l u m n sa r ep r e s e n t e d t h ec a c u l a t e dr e s u l t sa r ci ng o o da g r e e m e n tw i t h t h et e s tr e s u l t s t h et e s tr e s e a r c ho fs h e a rs t r e n g t ho fs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t et s h 印e ds h o r tc o l u m n s ( s r c t s s c ) i s i 苎耋墨三苎主盗主兰釜笙圭 c a r r i e do u t t h em a i nf a c t o r sm 砒a f f e c tt h es h e a rs t r e n g t ho fs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t et - s h a p e ds h o r t c o l u m n sa r ca n a l y z e d b a s e do nt h es u p e r p n s e ds i r e n g t hm e t h o d ，t h es h e a rs i r e n 【g t hf o r m u l ao fs t e e l r a i n f o r e e dc o n c r e e l ct _ s h a p e ds h o r tc o l u m n si sp r e s e n t e d t h ec a c u l a t e dr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t h t h et e s tr e s u i t s n u m e r i c a ls i m u l a t i v ea n a l y s i so nb o t ht h es h e a rs t r e n g t ha n dt h ea x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fs t e e l r e i n f o r c e dc o n c r e t es p e c i a l s h a p e dc o l u m ni ss t u d i e db ya n s y s t h er e s u l t so fa n s y sc o r r e s p o n dw i t h t h o s eo f t h e t e s t s b e c a u s et h en u m l ) e ro f t h es a m p l e si nt e s t si sr e l a t i v e l yl i m i t e d ，t h en u m e d c a ls i m u l a t i v e a n a l y s i sb ya n s y s o ne i g h ts t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es p e c i a l s h a p e dc o l u m n si sa d o p t e di n s t e a do f t e s t s k e yw o r d s ：s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es p e c i a l s h a p e ds h o r tc o l u m n ( s r c s s c ) ，a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h ， s h e a rs i r e n g c h ，a n t i s e i s m i cp e r f o r m a n c e 。d i s p l a c e m e n td u c t i l i t y , a n s y s i i 主要符号表 主要符号表 4 混凝土的截面面积： 纵向受压钢筋的截面面积； 以铜骨部分的截面面积； 4 ，一配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积； f 混凝土的轴心抗压强度设计值； 钢筋的抗压强度设计值； 丘钢骨的抗压强度设计值； _ 箍筋的抗拉强度设计值； 一钢骨混凝土异形柱设计轴压力系数； 门，钢骨混凝土异形柱试验轴压力系数； 地震作用组合下框架柱承受的轴向压力设计值； 。钢筋混凝土部分承担的轴向压力设计值； 卜川骨混凝土t 形截面短柱斜截面抗剪承载力； 。一钢骨部分的抗剪承载力； 风体积配箍率： 凡配骨率； 五一计算截面的剪跨比； ，。一承载力抗震调整系数； 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：型。抄芹 月2 罟日 学位论文使用授权声明 本人垄! 堑 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位沦文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：蓥兹；导师签名：兰l 兰至三! 砌7 年；月瑙日 第一章前言 1 前言 1 1 异形柱的产生 随着国民经济的迅速发展，我国的住宅产业己经形成了较大的规模。近年来，国家对 住房分配体制进行了改革，削减了部分不合理收费，使房价逐渐趋于合理；同时，积极改 革银行信贷制度，提供多种住房抵押贷款以刺激住宅产业向前发展。由于这些有力措施的 实施，住宅产业的发展跃上了一个新的台阶。 从结构体系上来看，当前我国的住宅主要可分为两大类：一类是多层住宅，一般为 5 7 层，主要采用砌体结构；另一类是高层住宅，般在2 0 层左右，主要采用剪力墙结 构。砌体结构的抗震性能是比较差的，在历次强烈地震中，砖房都遭到不同程度的破坏以 至倒塌。一方面这是由于砖墙本身的抗拉、抗剪强度都比较低，地震到来很快就出现裂缝， 结构的延性也十分低，往往呈脆性破坏；另一方面，砌体结构的自重相对较大，由此引起 的地震力也相对较大，对结构抗震很不利。近年来，各地已经开始禁止使用实心粘土砖， 积极推广各种轻质空心砌块，在一定程度上改善了这一缺陷。 高层住宅一般采用剪力墙体系。由于住宅墙体很多，不要求室内大空间，而且剪力墙 施工起来也非常方便，所以剪力墙结构在高层住宅中得到了广泛的应用。剪力墙结构是一 种抗侧刚度较大的结构体系，如果设计得当，其抗震性能也是比较好的，但剪力墙自重一 般都较大，基础费用较为可观。因此从经济角度来看，剪力墙住宅的层数不能太低，目前 剪力墙住宅一般都在1 8 层以上。 砌体结构的抗震性能差与高层剪力墙结构的造价高这一对矛盾产生的调和产物就是 采用轻质隔墙的框架结构体系。框架体系的抗震性能要比砌体结构好得多，造价又比剪力 墙结构低，应该是建造多层及小高层住宅理想的结构体系。但由于传统的框架结构的柱子 截面一般为矩形，在住宅及办公室的小开间房间内的四角会露出棱角，直接影响空间视觉 和家具布置，导致建筑不美观，而且使用起来也十分不方便，这也是住宅使用框架结构体 系不多的原因之一。 为了解决这一问题，工程界开始引入异形柱。所谓异形柱就是指柱子截面不是常规的 矩形截面，而是在满足结构刚度和强度的前提下，根据房间布盖情况以及柱子具体位置需 要，采用l ，t 和十形柱截面。异形柱肢宽度与砌体墙厚度相同，从而使柱子不露出棱角， 便于家具布置，具有良好的建筑使用功能。建设部于1 9 9 6 年“月发布了住宅产业现代 化试点技术发展要点( 试行) 文件，在其中技术发展要点之三的“住宅结构体系”中列 出了钢筋混凝土异形柱体系及其结构特点：1 ) 由t 形边柱、十形中柱和l 形角柱组成的 框架：2 ) 填充墙与柱壁等厚，室内不出现棱角；3 ) n 墙体减薄，与砖墙结构相比，可增加 使用面积8 - 1 0 ；4 ) 填充墙的墙体材料可根据当地保温隔热要求，因地制宜，就地取材。 此外，建设部1 9 9 5 年制定了 2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程一项目实施方案文 西安理工大学博士学位论文 件，在其中“住宅结构体系成套技术研究”专题中，列出了异形柱框架、大开间住宅体系 等，并在框轻、轻板发生开间灵活住宅体系的关键技术中提出了l ，t 和十字形截面框架。 上海、天津、广州等地2 0 多年来的建筑实践也表明，异形柱框架结构具有良好的经济效 益、环境效益和社会效益，并显示出良好的发展前景。但至今还没有规范能系统地指导异 形柱框架结构的设计与施工，混凝土结构设计规范( o b5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) ”1 只给出t 形柱的 受剪承载力计算公式，而建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) “1 中关于该部分内容仍 为空白。上世纪9 0 年代中期，天津大学、大连理工大学、华南理工大学等单位相继就异 形柱课题进行了系列研究，研究成果集中反映在中华人民共和国行业标准混凝土异形柱 结构技术规程j g j l 4 9 2 0 0 6 4 1 天津市地方标准大开问住宅钢筋混凝土异形柱框轻结 构技术规程d b 2 9 1 6 9 8 “1 、广东省地方标准钢筋混凝土异形柱设计规程 d b j t 1 5 - 1 5 - 9 5 5 “1 中和安徽省地方标准安徽省异形柱框架轻质墙结构( 抗震) 设计规程 d b 3 4 2 2 2 2 0 0 11 7 1 。但是，以上规程都是针对一定地区，对陕西省不一定适用。目前，陕 西省在异形柱框架结构使用方面还只是处于尝试阶段，采用异形柱框架结构设计的房屋， 抗震审查很难通过，所以对异形柱结构体系作进一步研究是很有必要的。 1 2 钢筋混凝土异形柱结构 1 2 1 异形柱结构体系 异形柱是指在框架结构中角柱用l 形柱，边柱用t 形或一罕形柱、中柱用十字形柱。 截面高与肢厚之比小于或等于4 的为框架结构( 如图1 - 1 所示) ，但又区别于传统的矩形 截面框架结构，如果柱截面高与肢厚之比大于4 ，则就是实际工程中的短肢剪力墙结构。 将钢筋混凝土异形柱与其它结构形式相结合，可以形成以异形柱为特征的结构体系，其中 包括：异形柱框架结构、异形柱框一桁架结构、异形柱框；品一剪力墙结构、异形柱框架一 简体结构体系。 4 l 旷1 1 1 d o 一土一。一 i； q 寸一十一十一1 匿j 4 牟一阜一一 ；广广尊 图1 - 1 异形柱框架布置图 f i g1 - 1 t h ef r a m ea r r a n g e st h ed i a g r a mo f s p e c i a l s h a p e dc o l u m n 采用异形柱的结构体系中，兼有砌体结构和剪力墙结构体系的主要优点，同时尽可能 弥补两者的不足，具有下述的技术优势： 2 第一章前言 1 异形柱结构体系，柱壁与填充墙基本同厚。室内不出现柱楞，便于布置家具，比传统 采用一般矩形或圆形柱的框架结构增加1 0 左右的使用面积。 2 实现大开间住宅结构。由于采用全框架结构，因此上部可以获得较大空间，而且用户 可以随心所欲的拆除或移动墙体，极大限度的满足住户个性化要求，实现建筑多功能的 特点。 3 可使用新型墙体材料。由于框架承重，墙体采用轻质墙体材料( 碎渣砖，粉煤灰加气 混凝土砌块等) ，可以节约耕地，利用大量工业废料，减少污染，净化环境，实现能源 的二次利用以及变废为宝等。 4 可以节省能源。填充墙的墙体材料可根据当地的保温隔热要求，因地制宜，就地取材， 达到节能节材的效果。 5 异形柱结构体系在很大程度上降低了结构白重。在刚度相同的情况下，一般异型柱的 柱截面面积小于矩形柱的截面面积，使柱的自重减轻，同时，板梁等构件也专门考虑了 减少自重的措施，填充墙采用轻质材料，所以，异形柱结构的自重能够降低到普通砖混 结构5 7 0 , - - 6 0 左右。同时混凝土异型柱结构的整体性强，具有剪力墙结构的优点。又 由于上部结构的自重减轻，使得基础的受力大为减小，于是地基基础材料的造价和用量 也相应降低。 异形柱框架结构在实际工程中，已经得到大量应用。自上世纪八十年代以来，这种 结构体系在全国已建设实施几百万平方米，仅天津市就建成1 5 0 多万平方米，在其他城 市如兰州、石家庄、合肥、烟台的建筑面积大约在2 0 0 多万平方米。广东省也有大量的 异形柱框架结构建筑。 1 2 2 异形柱结构在国内外的研究现状 对于异形截面构件以及异形柱结构体系方面的研究，国内外均有。 a 、国外的研究现状 国外对异形柱研究始于2 0 世纪7 0 年代，文献“”就曾对l 形截面小偏压柱的问题 进行了一定的研究，对l 形柱的正截面承载力进行了理论分析，给出了承载力相关曲线。 之后，印度学者l n r a m a m u r t h y h e 和t a h a f e e z k h a n ”于1 9 8 2 年通过对荷载作用线的 研究，提出两种简易的计算分析l 形柱的极限承载力的方法，并在1 9 8 3 年，他两人又分 别对等肢和不等肢l 形截面双向偏压柱进行了理论分析和试验研究。美国学者 m d d a v i s t e r 于1 9 8 6 年对不规则形状的双向偏压柱进行了理论研究。1 9 8 5 年和1 9 8 9 年， 美国学者c h e n g - t z u t h o m a s h s u “”对l 形柱、t 形柱进行了计算机分析，给出了决定 方形、矩形、l 形截面柱极限强度、相互作用线、荷载一弯曲曲线、弯矩一曲率关系的计 算机算法，又对t 形截面柱进行了研究，通过对1 2 根双偏压t 形柱单调荷载作用进行研 究，给出了荷载一变形曲线，并编制了计算机程序，试验结果和程序结果两者符合较好。 土耳其学者c d u n d a r 和b s a h i n l 9 9 2 年也对双向偏压柱进行理论研究。1 9 8 7 年至1 9 9 3 年 西安理工大学博士学位论文 间美国学者c h e n g t z u 和t h o m a sh s u 对l 形和t 形双向偏压柱分别进行了全过程分析， 并提出双向偏压柱的经验计算公式。1 9 9 2 年和1 9 9 3 年，印度学者m a l l i k a ri u n a l 和 e m a h a d e v a p p a “分别对l 形和t 形截面柱双偏压作用下的极限承载力进行了计算机 分析，并给出了相应的图表和f o r t r a n 程序；s i n h a s n “”于1 9 9 6 年对十形柱双偏压构件 承载力相关曲线进行了研究，分析了不同柱截面尺寸对应的最优配筋形式进行计算，还给 出了利用承载力相关曲线进行截面配筋计算的实例；k v , g d b a l a j i “对t 形柱双偏压构 件的可靠性进行了研究。 总的来说，国外对异形柱的研究主要集中在计算机程序的理论分析方面，对试验研究 较少。在试验研究方面，国内的研究比较多，取得了很多可喜的成果。 b 、国内的研究现状 2 0 世纪八十年代以来，随着国内钢筋混凝士异形柱的推广应用，国内对于异形柱结 构的研究( 包括构件、平面框架和空间结构的整体性能等) 已成为混凝土结构领域的一个 热门课题。华南理工大学首先在八十年代中期开始进行异形柱构件的试验研究工作，分别 进行了t 形，l 形截面柱共5 0 根试件的试验。推导出t 形，l 形截面柱正截面承载力的 实用计算公式，并且利用数值分析计算程序绘制出实用计算图表。研究成果通过条文编制 说明，纳入广东省标准钢筋混凝土异形柱设计规程的有关条文。 天津大学在九十年代进行了t 形，l 形，十字形截面共5 9 根异形柱的试验研究。并 在试验结果的基础上，通过数值积分计算程序模拟计算了1 3 1 2 根不同轴压比、混凝土强 度等级以及钢筋等级下的构件的承载力，得出异形柱构件正截面承载力变化的相关规律。 并通过对1 8 0 根t 形、l 形截面柱和8 0 根十字形截面柱的非线性全过程分析，考虑长细 比、相对偏心距以及加载角等因素，通过数学拟合得到偏心矩增大系数的统一计算公式， 上述研究成果编入天津市标准大开间住宅钢筋混凝土异形柱框架结构技术规程的有关 条文中。 同时，河北工学院也先后完成了异形截面柱的抗震性能研究，中国建筑科学研究院总 结国内外已有的资料，分析了l 形柱的正截面工作机理，给出了l 形截面钢筋混凝土双 向偏压柱的直接设计方法。 他们的研究成果大致可以分为以下几个方面： ( i ) 对单独异形截面构件的研究 1 异形柱双偏压构件正截面承载力研究“”枷 天津大学、大连理工大学、河北工业大学、华南理工大学和中国建筑科学研究院分别 对异形柱双偏压正截面承载力开展了大量研究工作，取得了可喜的成绩。大连理工大学于 1 9 9 3 年对1 8 根异形柱( l 形柱1 0 根，t 形柱和十字形柱各4 根) 双偏压性能进行了试验研 究。天津大学分别与1 9 9 3 年和1 9 9 4 年对6 根l 形、1 4 根t 形、8 根十形6 根方形截面柱 进行双向压弯作用下正截面承载力及延性的试验研究，在此基础上，根据平截面假定、混 凝土和钢筋的本构模型、力的平衡条件，采用数值方法编制出异形截面双向压弯柱正截面 4 第一章前言 承载力专用计算程序，并用它对1 0 2 4 根l 形、t 形异形柱和2 8 8 根十形柱进行系统的正 截面承载力计算，由此提出了l 形、t 形、十形截面双向压弯柱的统一计算方法：此外1 9 9 5 年，广东房地产开发设计院与华南理工大学合作，对1 1 根等肢l 形截面双偏压柱进行了 试验研究，初步证实了l 形截面柱在双向偏心荷载作用下，自开始加载至截面破坏的整个 过程中，截面的平均应变仍然符合平截面假定规律；初步揭示了l 形截面双向偏心受压柱 的破坏形态及特点并根据试验研究结果，提出了l 形截面双向偏心受压柱正截面承载力的 计算公式及方法。 2 异形柱的抗剪承载力研究”“ a 天津规程 天津大学对1 l 根t 形、1 2 根l 形、4 根矩形截面柱进行单调荷载和低周反复荷载 作用下( 2 1 根单调荷载、6 根低周反复荷载作用) 的试验研究。试验结果表明，t 形、l 形 截面柱的受剪承载力随荷载作用方向而变化，但由于翼缘的作用，其抗地震作用受剪破坏 的能力较矩形截面强。根据试验研究结果，提出了实际设计时t 形、l 形、十形截面柱的 受剪承载力计算公式。 十形柱及地震方向与翼缘方向一致的t 形柱： 圪2 j 惫f c b h o + l 2 5 厶争+ 0 0 7 ( 1 1 ) l 形柱及地震方向与腹板方向一致的t 形柱： 1 c aukj 弘 + z uc b h o + 1 2 5 f p - - jh o + 0 0 7 n ( 1 2 ) b 华南理工大学“ 华南理工大学对1 5 根l 形柱( 其中1 0 根无箍筋、5 根配箍筋) 进行了受剪承载力的试 验研究，讨论分析了l 形柱的破坏特点及剪跨比、轴压比等因素对受剪承载力的影响，根 据试验结果回归出受剪承载力公式，并进一步推导出适合工程设计使用的偏下限受剪承载 力公式，提出了供工程设计的公式，如下所示： 圪= 羔f 。b h o 删厶争+ 0 0 7 n ( 1 3 ) c 同济大学汹“1 同济大学对6 根l 形截面和6 根z 形截面柱进行试验研究，研究纵筋配筋率、配箍 率、轴压比、肢长厚等因素对l 形和z 形柱承载力、破坏形态及能量耗散能力的影响。并 对试件的破坏过程进行描述，并根据承载力结果和他人的试验结果对数据进行回归分析， 拟合出承载力计算公式，该公式考虑了纵筋的销栓作用对异形柱受剪承载力的影响，周期 反复荷载作用下受剪承载力公式为： n 圪2 丢f c b h o + 厶以b h o + n 0 3 厶几4 + o 。0 7 ( 1 4 ) 单调荷载作用下受剪公式为： 西安理工大学博士学位论文 圪= r l i _ f , b h o + _ p , , b h o + 0 0 3 , , o s b , 4 + o 0 7 n ) x 1 0 5 ( 1 5 ) 计算结果与试验结果吻合较好。 d 大连理工大学” 通过2 8 根异形柱( 1 1 根l 形柱、1 1 根t 形柱、6 根十形柱) 缩尺试件的破坏试验，对 异形柱轻墙结构中异形柱的受剪承载力进行了探讨性的研究，对试件的破坏状态进行了仔 细地分析，而且针对异形柱构件破坏的特点，以传统的比拟桁架理论为基础，分析了异形 柱构件的剪力传递机理，引进了截面特征参数，对每种截面异形柱分别进行讨论，分析截 面特征参数对其受剪承载力的影响，并以截面特征参数为变量，用数理统计的方法回归出 各自的受剪承载力计算公式，对截面特征参数对异形柱受剪承载力的影响有了一个比较清 楚的认识。 3 轴压比的研究情况一1 国内对轴压比的研究主要针对矩形截面柱。河北工业大学曹万林考虑了轴压比对大、 小剪跨比l ，t 和十形柱承载力及延性的影响进行了试验研究，试验表明带暗柱的l 、t 和 十形柱比普通柱在其它条件相同的情况下，其承载力显著提高，其弹塑性变形及耗能能力 明显改善。天津大学、华南理工大学也做了试验研究，结果均表明，无论对l 、t 和十形 截面柱，随轴压比提高，构件的承载力有所提高，屈服刚度也有所提高，但延性降低。 4 抗震性能的研究“7 ” 异形柱的抗震性能作为工程设计人员进行结构抗震设计时最关心的问题，国内的研究 较多，取得了一些可喜的成果。卫园1 等( 1 9 9 5 年) 采用了梁式加载的试验方案研究了轴 压比、配箍率、纵筋配筋率对等肢l 形截面柱的破坏状态、滞回曲线和延性的影响，其反 复荷载方向沿截面对称轴，研究认为，轴压比较小时，属于大偏心受压破坏状态，轴压比 较大时属于小偏心受压；延性随轴压比的增大而降低，而且得出用单调荷载下的钢筋混凝 土压弯构件承载力计算方法来计算反复荷载下的钢筋混凝土压弯构件是安全的；曹万林 ( 1 9 9 5 年) ”删通过l ，t 和十形截面柱在三个不同方向( 工程轴方向、垂直于工程轴方向、 与工程轴成4 5 度方向) 水平周期反复荷载下的试验研究，分析了构件的承载力、刚度和延 性，试验表明由于l ，t 形柱截面不对称，出现某一加载方向承载力高，另一方向承载力低 的现象，而且延性也不对称；曹万林( 1 9 9 9 年) ”“还研究了暗柱对l ，t 和十形柱抗震能 力的影响，试验研究表明，随着轴压比增加，试件的承载力提高，延性降低，而且暗柱能 显著提高异形截面柱的承载力和延性，较相同的普通l 形截面柱具有较高的塑性铰区域， 发展也较充分，耗能能力较强，暗柱具有明显的钢筋混凝土核心约束作用。 ( 2 ) 对异形柱框架结构的研究 单根异形柱的受力机理与它们在结构整体中的受力机理不能简单等同t 7 4 1 。在结构布 置时，让l 形柱作角柱，t 形柱作边柱，十形柱作中柱，结构整体的刚度对于x 轴和y 轴是对称的，在承受竖向力或水平力时，不会发生双向弯曲的情况。而单根l 形截面柱 在试验研究中，必然是弯、剪、扭的共同作用体。结构中的研究更符合真实情况。文献” 6 第一章前言 进行了三榀l ：2 双层双跨的钢筋混凝土异形柱结构模型的低周反复试验。其中一榀为普 通框架，一榀为带人字撑的框一桁架，一榀为用空心砖砌块填充的填充墙框架，通过对比 试验研究三榀框架的抗震性能。文献以龙岩市已建工程为背景，对抽出的两层两跨异 形柱边框架模型进行低周反复加载试验，验证了多层钢筋混凝土异形框架结构的抗震性 能。目前关于异形柱框架结构的静力研究并不多见，主要是对其抗震性能的研究。 ( 3 ) 对异形柱框一桁架的研究 文献“”进行了一个l ：2 比例的单层单跨异形柱框架和异形柱框桁架的低周反复加 载试验研究，研究支撑对异形柱框架抗侧刚度的贡献、对机构的内力分配以及结构的耗能 机理进行了分析，结果表明，异形柱框一桁架体系的抗震性能优越于异形柱框架结构体系。 文献m 1 对底层带支撑的异形柱框架进行了低周反复加载试验研究，对其抗震性能进行了 分析和研究。文献”儿刚进行了异形柱框桁架整体结构的振动台试验，分析了模型的动 力特征、加速度以及位移等，结果表明该结构体系是典型的“强柱弱梁”型结构，其抗震 性能良好。上述的研究都表明了异形柱框一桁架体系中，支撑是良好的抗侧力耗能构件， 增加结构的刚度，减小了地震作用下结构的水平位移。 ( 4 ) 对异形柱填充墙框架的研究 文献”进行了比例为1 ：3 的轻质填充墙异形柱框架结构的试验研究，并对结构 在弹性阶段和塑性阶段的刚度进行了分析，研究填充墙对结构的刚度贡献以及模型在受力 过程中层刚度的衰减过程进行了研究，并对在有填充墙的情况下结构的抗震设计提出了一 些建议。上述的研究表明，填充墙对框架结构的刚度有较大的贡献，由于轻质填充墙的自 重小，因此地震作用也相应减弱。有轻质填充墙配合支撑的方式将是很好的解决问题的方 法。 ( 5 ) 对异形柱框架节点的研究 节点的承载力是异形柱的薄弱环节。在相同的条件下，l 形、t 形异形柱的节点抗剪 承载力分别比矩形柱低3 3 、1 7 5 左右”1 。而且异形柱截面复杂，柱肢厚度较小，施工 所造成的其它危险因素相对增加，套用现行的钢筋混凝土结构设计的规范是偏于不安全 的。天津大学、大连理工大学、沈阳建工学院、天津轻工业学院等在这方面做了一些试验 研究和理论分析，天津市规范还给出了相应的计算方法。 1 2 3 钢筋混凝土异形柱框架结构所面临的问题 随着研究的深入和实际工程中经验的积累，异形截面柱框架结构作为一个结构体系正 逐步形成，其结构整体的抗震性能比砌体结构强也得到了认可。但是无论在理论还是试验 研究方面仍然存在有待进一步解决的问题。 1 作为构件的单根柱和结构整体中的柱的受力机理不尽相同。现有的试验条件还没 有完成准确地模拟单根柱在结构中的受力机理。例如l 形柱，在刚度对称的框架整体中， 发生沿x 方向或y 方向的弯曲，但进行单根构件试验时，不可避免会发生双向偏压。因此， 7 西安理工大学博士学位论文 如何将构件的性能拟合到结构整体中是一个有待研究的问题。 2 目前对于异形柱框架的研究很少涉及到材料的非线性。而要充分认识这种结构体 系，并且充分利用材料，对非线性阶段的研究必不可少。 3 针对异形柱框架结构节点的研究很少。由于异形柱截面形式复杂，柱肢相对矩形 柱单薄，因此节点的不确定因素可能更多，这无论在理论研究还是工程实际中都是必须要 解决的问题。 4 在异形柱框架轻型结构中，砌块填充墙的使用相当普遍，它对结构抗侧刚度的贡 献很大，在结构抗震中也起到了很大的作用，但在结构计算时，为了简单起见，通常不考 虑填充墙的作用，因此这就造成了材料的浪费。这个问题也有待解决。 5 钢筋混凝土异形柱结构的抗震性能较差和承载力较低，一般只适用于多层和抗震 设防烈度比较低的地区，使其使用范围受到一定限制。如何提高这种结构的承载力和延性 也是亟待学要解决的问题。 1 3 钢与混凝土组合结构 1 3 1 钢骨混凝土结构 用型钢或钢板焊( 或冷压) 成的钢截面，并在其周围配置钢筋，再在其四周或内部浇灌混 凝土，使混凝土与型铜形成整体共同受力，通称钢与混凝土组合结构”1 。钢混凝土组合 结构是钢结构和混凝土结构之间的一种新型结构形式，它通过钢、混凝土的协同工作使得 钢材卓越的抗拉性能和混凝土的抗压性能得以充分发挥，因此有效地解决了钢筋混凝土结 构中受拉区混凝土开裂后退出工作的问题；另外混凝土包住型钢可以防止型钢压曲，增强 型钢的稳定性；同时可以利用混凝土代替钢材受压，经济效果显著。工程实践证明，钢筋 混凝土组合结构和钢结构相比可节约钢材5 0 左右，每平米造价可降低1 0 - 4 0 “同 时因为截面刚度的增加，可以减少结构挠度l 3 1 尼汹1 ，与钢筋混凝土结构相比，在钢筋 用量相当的情况下可节省混凝土6 0 左右，减轻自重约2 0 ”1 ，且对延性有很大的改善。 由于钢混凝土组合结构的诸多优点，它正受到越来越多的关注。 目前，国内外常用的钢混凝土组合结构有：1 压型钢板与混凝土组合楼板；2 钢与混凝土组合梁；3 型钢混凝土结构；4 钢管混凝土结构；5 外包钢混凝土等五大类m 1 。 其中，通常将在钢筋混凝土中埋置型钢的组合结构又称钢骨混凝土( s t e e lr e i n f o r c e d c o n c r e t e ，以下简称s r c ) 僻1 结构( 见图1 - 2 ) 9 6 1 。这种结构形式在英美等国称之为( c o n c r e t e e n c a s e ds t e e l w o r k ) ，前苏联称为劲性钢筋混凝土结构，日本则称之为钢骨混凝土。钢骨 分为实腹式和空腹式。实腹式s r c 构件具有较好的抗震性能，而空腹式s r c 构件的抗震 性能与普通钢筋混凝土( r e i n f o r c e dc o n c r e t e ，以下简称r c ) 构件基本相同。因此，目前在 抗震结构中多采用实腹式s r c 构件。实腹式钢骨可由钢板焊接拼制成或直接采用轧制型 钢。当用型钢作钢骨时，也称为型钢混凝土结构。常用的s r c 柱构件截面形式见( 图1 3 ) 。 第一章前言 图1 屯钢骨混凝土结构 f i g 1 2 s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e 回国画回国 ( a ) 实腹式钢骨混凝土柱 ( a ) s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u