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钢筋混凝土框架结构梁柱地震破坏机理的试验与设计方法研究

作　者: 杨小卫
导　师: 王亚勇
学　校: 中国建筑科学研究院
专　业: 结构工程
关键词: RC框架强梁弱柱强柱弱梁梁柱线刚度比柱梁抗弯承载力比
分类号: TU375.4
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文阐述了钢筋混凝土框架结构“强柱弱梁”的研究现状及出现“强梁弱柱”的震害原因,对钢筋混凝土框架结构梁柱空间节点的破坏机理进行了低周往复加载模型试验和数值模拟,探索如何切实实现“强柱弱梁”的抗震设计方法。主要研究工作如下：(1)分析了梁端的曲率延性,证明了梁端延性随钢筋级别的提高而降低；随混凝土抗压强度的增加而增大；随受拉钢筋配筋率的增加而减小；随受压钢筋配筋率的增大而提高,但当受压钢筋配筋率超过2%后,则延性能力迅速下降；随受压、受拉钢筋配筋量比值的增大,延性增强。对于框架梁抗震设计时,建议控制受压钢筋的配筋率不宜大于2%,宜根据配筋级别控制受压、受拉钢筋配筋量的比值。对于HPB235钢筋,受压、受拉钢筋配筋量比值宜大于0.3；对于HRB335、HRB400钢筋,受压、受拉钢筋配筋量比值宜大于0.5。(2)分析了柱端的曲率延性,证明了满足柱截面构造配筋率后,截面配筋率对延性基本没有影响；随轴压比的增大,截面延性降低,因此应规定框架柱的轴压比限值,使其小于界限轴压比；而2010抗震规范中抗震等级为三级、四级柱的轴压比限值规定偏高,柱截面延性较差。对于框架柱抗震设计时,建议钢筋混凝土框架结构抗震等级为一、二、三、四级的轴压比限值分别为0.6、0.7、0.8、0.85。(3)提出了“梁柱线刚度比”的概念,通过合理的力学模型,推导并得到了实现“强柱弱梁”的“梁柱线刚度比”限值理论方程,通过与震害实例和数值算例对比,验证了运用“梁柱线刚度比”和该理论方程实现“强柱弱梁”设计的正确性。(4)考虑“梁柱线刚度比”的影响,设计两栋钢筋混凝土框架结构,并抽取其中间层三组共6个1：1.6缩尺的梁柱空间节点进行试验,证明了“梁柱线刚度比”对节点屈服机制具有较大影响。(5)对已抽取节点试验的两栋钢筋混凝土框架结构进行与规范统计意义相符的多组地震波的弹塑性动力时程分析,得出了它们的屈服机制符合框架梁柱空间节点试验结果。(6)对多层钢筋混凝土框架,进行了考虑三向地震动的弹塑性动力时程分析,得出了不考虑“梁柱线刚度比”限值条件下“强柱弱梁”设计的“柱梁抗弯承载力比”调整系数。若不考虑梁柱线刚度比限值,则建议柱梁抗弯承载力比调整系数,在框架抗震等级为一级、二级、三级、四级时分别取2.4、2.1、1.9、1.6。(7)基于静力弹塑性Pushover分析方法和增量动力时程(IDA)分析方法,对框架模型1、2进行整体抗震性能分析,证明了“强柱弱梁”的整体屈服机制优于“强梁弱柱”整体屈服机制。在相同框架柱截面尺寸条件下,“梁柱线刚度比”较小的框架极限抗侧承载力比“梁柱线刚度比”大的框架的小,但前者的位移安全储备比后者的高,延性较好,抗倒塌能力比后者强。对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响因素如底层柱底轴压比、最大层间位移角及结构竖向刚度比进行了研究。底层柱底的轴压比对结构的抗震性能影响较大,设计时应避免底层柱底轴压比值过大,使结构具有较好的延性储备,增强大震下的安全性；结构“竖向刚度比”较均匀时,结构的抗震性能达到最优；进行的多层钢筋混凝土框架结构算例,在按最大弹性层间位移角1/800设计时,结构的抗震性能较好。综合以上研究工作,得出了如下创新性的研究成果：(1)首次提出了用“梁柱线刚度比”控制梁柱空间节点的屈服机制,并推导出了理论控制方程。(2)进行了梁柱空间节点抗震性能对比试验和有限元分析,表明：当梁柱线刚度比中节点为0.79、边节点及角节点0.62时,试件均出现了“强梁弱柱”破坏；当梁柱线刚度比中节点为0.41、边节点及角节点0.3时,试件均出现了出现“强柱弱梁”破坏。通过试验研究,验证了框架结构的地震破坏机制。(3)对于按2010抗震规范进行“强柱弱梁”设计(承载力调整)的钢筋混凝土框架结构,建议同时进行“梁柱线刚度比”控制,抗震等级为一、二、三、四级的钢筋混凝土框架结构,“梁柱线刚度比”限值分别为1.1、1.0、0.6、0.6。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-23
  1.1 研究的背景和意义  13-15
  1.2 "强柱弱梁"的研究现状和相关规范规定  15-18
    1.2.1 研究现状  15-17
    1.2.2 主要国家规范概述  17-18
  1.3 存在的问题  18-19
  1.4 本文的研究内容  19-20
  参考文献  20-23
第2章结构的延性与"强梁弱柱"震害机理  23-44
  2.1 RC框架结构的延性  23-32
    2.1.1 框架梁端截面的延性  23-26
    2.1.2 框架柱端截面的延性  26-30
    2.1.3 框架梁、柱的延性对比  30-31
    2.1.4 RC框架结构的延性  31-32
  2.2 "强柱弱梁"机理分析  32-42
    2.2.1 理论推导  32-34
    2.2.2 例题验证  34-36
    2.2.3 震害实例分析  36-39
    2.2.4 "强梁弱柱"震害的机理  39-40
    2.2.5 震害实例的结构合理调整  40-42
  2.3 本章小结  42-43
  参考文献  43-44
第3章框架结构梁柱空间节点的试验研究  44-90
  3.1 试验方案  44-50
    3.1.1 试验目的  44
    3.1.2 模型设计  44-45
    3.1.3 试件设计  45-48
    3.1.4 试验装置  48
    3.1.5 加载方案  48-50
    3.1.6 量测内容和方法  50
  3.2 试件破坏过程及形态  50-70
    3.2.1 中节点(ZJD)的破坏过程及形态  50-56
    3.2.2 边节点(BJD)破坏过程及形态  56-63
    3.2.3 角节点(JJD)破坏过程及形态  63-70
  3.3 试件承载力、变形及延性  70-88
    3.3.1 滞回曲线  70-73
    3.3.2 骨架曲线  73-75
    3.3.3 刚度退化曲线  75-76
    3.3.4 应变分析  76-82
    3.3.5 承载力及对应的层间位移角  82-84
    3.3.6 截面抗弯承载力及抗弯刚度  84-87
    3.3.7 结果分析  87-88
  3.4 本章小结  88
  参考文献  88-90
第4章框架结构梁柱空间节点数值模拟与试验对比  90-100
  4.1 材料本构关系  90-91
    4.1.1 混凝土的本构关系  90
    4.1.2 钢筋的本构关系  90-91
  4.2 有限元模型的建立  91-93
    4.2.1 Model-1建立  91-92
    4.2.2 Model-2建立  92-93
  4.3 数值模拟与试验结果对比  93-99
  4.4 本章小结  99
  参考文献  99-100
第5章 RC框架结构"强柱弱梁"设计方法研究  100-121
  5.1 "强柱弱梁"设计方法研究  100-112
    5.1.1 考虑"梁柱线刚度比"的RC框架结构整体弹塑性分析  100-104
    5.1.2 不考虑梁柱线刚度比影响的柱梁抗弯承载力比需求研究  104-112
    5.1.3 "强柱弱梁"设计方法  112
  5.2 RC框架结构整体抗震性能分析  112-119
    5.2.1 考虑梁柱线刚度比的RC框架结构抗震性能比较  113-114
    5.2.2 不考虑梁柱线刚度比的RC框架整体抗震性能的影响因素研究  114-119
  5.3 本章小结  119-120
  参考文献  120-121
第6章总结与展望  121-124
  6.1 本文的主要工作及研究成果  121-123
  6.2 进一步研究工作的展望  123-124
附录A 梁柱空间节点试件的配筋图  124-133
  A.1 中节点(ZJD)配筋施工图  124-126
  A.2 边节点(BJD)配筋施工图  126-129
  A.3 角节点(JJD)配筋施工图  129-133
附录B 梁柱空间节点试件的测试图  133-142
  B.1 中节点(ZJD)测试图  133-137
  B.2 边节点(BJD)测试图  137-139
  B.3 角节点(JJD)测试图  139-142
附录C "IDA"分析所用的地震加速度记录  142-143
致谢  143-144
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  144

钢筋混凝土框架结构梁柱地震破坏机理的试验与设计方法研究

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