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大型火力发电厂钢筋混凝土框排架结构抗震性能及设计方法研究

作　者: 吴涛
导　师: 刘伯权；白国良
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 大型火力发电厂框排架抗震性能模态分析拟动力试验异型节点平扭耦联非线性有限元
分类号: TU375.4
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

国内外大量震害表明，结构在中等强度或强烈地震作用下，都会产生严重的破坏甚至倒塌，造成巨大的经济损失和人员伤害。大型火力发电厂是重要的生命线工程，应有较高的抗震能力，对该类结构的抗震性能进行研究具有重要的理论意义和实际价值。本文的主要目的是为各行业广泛应用的钢筋混凝土框排架结构提供实验依据、弄清楚框排架结构的抗震性能和破坏机理。选取3跨3榀钢筋混凝土框排架子空间模型进行拟动力试验，这是国内首次对该类型结构体系进行的大型动力试验。在试验中主要研究了以下内容：在水平力作用下框排架结构的整体变形能力以及各层的层间变形的大小；框排架结构在不同阶段的动力变化规律；框排架柱的变形和承载能力；错层对结构性能的影响、模型结构裂缝开展过程及塑性铰形成的先后顺序、不同阶段该结构的刚度退化规律及滞回耗能特性等。在模态分析中，根据相似关系推导出配重不足情况下原型与模型结构的周期相似系数。并求出原型结构的前三阶周期。针对该类框排架结构中通常存在异型节点的实际，在9(其中边节点4个、中节点5个)个1／5的伪静力试件试验研究及整体结构模型中该类节点破损特点的基础上，提出了异型中节点和边节点的破坏机理，针对异型中节点和边节点的受力特点给出了该类异型节点的抗剪承载力计算公式和节点区的加强构造措施。在试验研究的基础上，对横向框排架、纵向框架—剪力墙结构的整体厂房进行平扭耦联的地震反应分析，研究了该类结构的动力特性、扭转对整体结构受力的影响、层间变形及扭转效应、框架与排架的内力分配、错层对该层各柱剪力分配的影响、相应的简化计算方法等相关内容供设计时参照。采用空间杆系及壳元建立原型厂房的空间计算模型，采用截面离散法进行非线性有限元计算，重点了解该类整体结构在强烈地震作用下的反应、塑性阶段的扭转、强震下框排架的工作性能等内容，并提出针对该结构薄弱层确定的简化计算方法，得出许多有益的结论。在试验和理论研究的基础上，提出框排架结构的设计原则和具体的设计方法，主要有以下内容：(1)考虑平扭耦联空间整体结构的振型分解法；(2)针对该类主厂房结构中应用高强混凝土的问题，提出应用高强混凝土的框排架柱的轴压比限值及相应的构造要求；(3)对异型节西安建筑科技大学博士学位论文点划分不同区域分别给出其构造要求。综上所述，通过对该类框排架结构的试验及理论分析，研究了该体系的抗震性能提出了针对该体系计算方法、设计方法及相应的构造措施。本文的研究可以为有关行业规程的制定提供参考和基础性资料。

全文目录

第一章前言  12-26
  1.1 本课题研究背景  12-13
  1.2 钢筋混凝土结构的震害分析  13-15
    1.2.1 钢筋混凝土框架结构震害  13-14
    1.2.2 钢筋混凝土排架结构的震害  14-15
  1.3 研究现状  15-20
    1.3.1 钢筋混凝土框排架结构研究  15-16
    1.3.2 钢筋混凝土框架结构的研究  16-17
    1.3.3 考虑扭转效应的框架结构抗震分析进展  17-18
    1.3.4 各国规范对结构扭转的计算规定及构造要求  18-20
  1.4 建筑结构抗震设防的目标、方法和要求  20-22
    1.4.1 建筑抗震设防的新发展  20-21
    1.4.2 我国现行抗震规范的设防目标、方法和要求  21-22
  1.5 本文进行的主要研究  22-23
  参考文献  23-26
第二章钢筋混凝土框排架结构的模态分析  26-35
  2.1 模态分析技术及原理  26-28
  2.2 模态试验结果及结果分析  28-32
    2.2.1 模态试验目的  28
    2.2.2 试验过程  28-29
    2.2.3 模态试验结果分析  29-30
    2.2.4 模态试验结果的验证  30-32
  2.3 周期(频率)相似关系  32-33
    2.3.1 完全比例模型相似关系  32
    2.3.2 配重不足模型结构与原型周期相似关系  32-33
  2.4 原型结构的动力特性  33
  2.5 主要结论  33-34
  参考文献  34-35
第三章钢筋混凝土框排架结构拟动力试验研究  35-69
  3.1 试验设计和模型制作  35-38
    3.1.1 模型结构的相似关系  35-36
    3.1.2 模型结构的制作  36-37
    3.1.3 试验模型制作  37-38
  3.2 试验方法和加载装置  38-44
    3.2.1 试验方法原理  38-41
    3.2.2 加载装置  41
    3.2.3 输入参数  41-43
    3.2.4 加载制度和测试内容  43-44
  3.3 试验结果分析  44-52
    3.3.1 拟动力试验结果  44-51
    3.3.2 伪静力试验结果  51-52
  3.4 结构抗震性能研究  52-66
    3.4.1 结构动力特性  52-55
    3.4.2 结构滞回特性及耗能  55-58
    3.4.3 结构外包骨架曲线和延性  58-59
    3.4.4 结构变形性能  59-60
    3.4.5 结构承载力和刚度  60-62
    3.4.6 结构相关问题研究  62-66
  3.5 主要结论与建议  66-67
    3.5.1 主要结论  66-67
    3.5.2 有待研究的问题  67
  参考文献  67-69
第四章变梁变柱异型节点的抗震性能试验及破坏机理研究  69-88
  4.1 普通混凝土节点的受力机理简述  69-71
  4.2 平面节点试验研究  71-75
    4.2.1 试件情况  71-72
    4.2.2 加载制度和加载装置  72
    4.2.3 试件破坏形态描述  72-75
  4.3 空间整体结构试验中的异型节点性能  75-76
    4.3.1 试件情况  75
    4.3.2 破坏过程描述  75-76
  4.4 异型节点破坏机理分析  76-79
    4.4.1 平面节点破坏机理分析  76-77
    4.4.2 空间节点破坏机理分析  77-79
  4.5 异型中节点破坏影响因素分析  79-80
    4.5.1 大小梁相对刚度关系对破坏类型的影响  79
    4.5.2 偏心轴向力对节点性能的影响  79
    4.5.3 箍筋应力不均匀性对异型节点抗剪强度的影响  79-80
  4.6 异型节点承载力分析  80-84
    4.6.1 中节点  80-82
    4.6.2 边节点  82-84
  4.7 主要结论与建议  84-86
  参考文献  86-88
第五章框排架平扭耦联地震反应分析  88-108
  5.1 计算模型的建立  88
  5.2 输入地震波的选取  88-91
    5.2.1 基本原则  89
    5.2.2 基于脉冲频响函数的地震波反应谱分析  89-91
  5.3 双(单)向地震动输入下平扭耦联的空间框排架地震反应  91-92
  5.4 原型结构的动力特性  92-95
    5.4.1 平面框排架结构的动力特性  92-93
    5.4.2 框排架结构的空间动力特性  93-94
    5.4.3 对整体结构扭转因素的讨论  94-95
  5.5 结构动力反应  95-106
    5.5.1 平面框排架动力反应  95-98
    5.5.2 整体结构动力反应  98-105
    5.5.3 平面与空间计算结果的区别及空间作用调整系数  105-106
  5.6 主要结论  106-107
  参考文献  107-108
第六章空间框排架结构的非线性有限元研究  108-126
  6.1 空间非线性有限元理论  108-113
    6.1.1 混凝土多轴本构关系  108-111
    6.1.2 空间杆件的非线性恢复力模型  111-113
  6.2 基于ANSYS软件的空间框排架结构非线性计算模型  113-116
  6.3 计算结果分析  116-119
  6.4 相关问题研究  119-123
  6.5 主要结论  123-124
  参考文献  124-126
第七章钢筋混凝土框排架结构的抗震设计方法  126-138
  7.1 钢筋混凝土主厂房结构  126-129
  7.2 高强混凝土框排架柱轴压比限值的研究  129-132
    7.2.1 高强混凝土柱轴压比的限值  129-130
    7.2.2 高轴压比柱小偏心破坏分析  130-131
    7.2.3 约束箍筋的要求  131-132
  7.3 短柱和错层的构造要求  132
  7.4 异型节点  132-136
    7.4.1 抗剪承载力计算  133-134
    7.4.2 异型节点的构造措施  134-136
  7.5 主要结论  136
  参考文献  136-138
第八章结论与展望  138-141
  8.1 主要结论  138-140
  8.2 有待研究的问题  140-141
致谢  141-142
附录  142-143

大型火力发电厂钢筋混凝土框排架结构抗震性能及设计方法研究

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