套建增层预应力钢骨混凝土框架抗震性能与设计方法研究

摘要

既有房屋的套建增层改造已成为土木工程界所关注的一个热点问题。本文构建了一种以内置H型钢预应力混凝土组合梁为框架梁、以配置4个或8个角钢的角钢混凝土柱为框架柱的新型钢骨混凝土框架结构型式。该框架组合梁中的H型钢可在框架柱角钢的间隙通过，预应力筋可在H型钢上下翼缘间布置，因此可在框架柱的外侧实现预应力筋的张拉和锚固；同时因可在H型钢下挂底模，并以底模为支撑设置侧模，故该框架结构底层楼盖可实现施工过程中自承重，基于上述两点，新型框架结构适合用于既有房屋的套建增层改造。但如何确保新型套建增层结构“小震不坏、中震可修、大震不倒”，特别是满足“大震不倒”的要求，是工程界迫切解决的问题。围绕这一问题，本文开展了五个方面的研究工作。
　　(1)新型框架结构中所采用的角钢混凝土柱抗震性能的试验研究尚未见报道，针对这一问题，本文进行了9根剪跨比为3、不同轴压比、采用钢板箍的角钢混凝土柱在水平低周反复荷载作用下的试验研究，获得了9根试验柱的滞回曲线，考察了该类柱的耗能、刚度退化、抗力衰减、骨架曲线及延性等抗震性能指标，建议了角钢混凝土柱在不同抗震等级下的轴压比限值等抗震构造措施。在试验的基础上，给出了角钢混凝土柱正截面承载力计算公式。利用仿真分析对角钢混凝土柱单调荷载-位移曲线进行了计算，仿真计算结果与试验所得骨架曲线吻合较好。在此基础上，探索了轴压比、配箍率、混凝土抗压强度、含钢率、钢材的屈服强度及剪跨比对角钢混凝土柱力学性能的影响，建立了角钢混凝土柱荷载-位移恢复力模型和截面弯矩-曲率恢复力模型，为结构的弹塑性时程分析提供参考依据。
　　(2)基于大量参数分析回归的内置H型钢预应力混凝土组合梁恢复力模型尚未见报道，针对这一问题，本文利用仿真分析对其他学者通过试验获得的预应力钢骨混凝土梁单调弯矩-位移曲线和荷载-位移曲线进行了计算，仿真计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上，考察了梁截面型钢抗力与截面总抗力之比、截面预应力筋抗力与截面总抗力之比两个重要参数对内置H型钢预应力混凝土组合梁力学性能的影响，给出了截面曲率延性和位移延性的计算公式。建立了内置H型钢预应力混凝土组合梁荷载-位移恢复力模型和截面弯矩-曲率恢复力模型，为结构的弹塑性时程分析提供参考依据。
　　(3)在大型有限元程序ANSYS的基础上，利用参数化设计语言(APDL)和Matlab语言，结合新型套建增层框架的特点，基于《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)和《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)编制了套建增层预应力钢骨混凝土框架内力和配筋计算程序，该程序能够根据需要调整抗震增强措施，为后文对新型套建增层框架进行弹塑性时程分析提供了对象。
　　(4)基于平面杆系模型，采用IDARC非线性分析程序，分析了房屋高度满足《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)要求的底层层高分别为8.1m、11.7m、15.3m、18.9m，上部各层层高为4.2m，跨度为16m的建造在I、II、III类场地土上，相对于设计地震分组一、二、三组的不同配筋的分离式套建增层预应力钢骨混凝土框架在不同地震记录输入下的地震反应。分析结果表明，满足《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)的套建增层预应力钢骨混凝土框架，在罕遇地震作用下7度抗震设防区建造在I、II、III类场地土上的套建增层预应力钢骨混凝土框架不会发生倒塌破坏；8度抗震设防区建造在Ⅰ类场地土上的套建增层预应力钢骨混凝土框架不会发生倒塌破坏；8度抗震设防区建造在II、III类场地土上的底层结构层高为8.1m，增层层数为2层到4层的原二级抗震框架底层柱形成柱铰倒塌机制，发生层倒塌破坏。建议套建增层预应力钢骨混凝土框架结构设计时对于8度抗震设防区建造在II、III类场地土上的底层结构层高为8.1m，增层层数为2层到4层的原二级抗震框架其柱端弯矩增大系数及相应的梁、柱、节点的抗震构造措施应按一级抗震框架取用。
　　(5)分总则、一般规定、结构型式、材料选择、框架抗震等级、构造措施与梁板截面选择、梁柱设计与节点构造、其它等7个方面提出了套建增层预应力钢骨混凝土框架结构房屋的设计与施工建议。结合具体工程实例介绍了该类套建结构的设计过程，详细给出了角钢混凝土柱、套建一层自承重混凝土楼盖的设计方法和施工措施。

目录

套建增层预应力钢骨混凝土框架抗震性能与设计方法研究

Dissertation for the Doctor Degree in Engineering

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 套建增层工程实践与研究概况

1.2.1 套建增层工程实践

1.2.2 研究概况

1.3 存在的问题

1.4 本文开展的工作

第2章 角钢混凝土柱抗震性能试验研究

2.1 引言

2.2 试验概况

2.2.1 试件设计与制作

2.2.2 试验装置与测点布置

2.2.3 加载制度

2.3 试验结果与分析

2.3.1 破坏形态及试验过程

2.3.2 钢材应变

2.3.3 滞回曲线

2.3.4 耗能性能

2.3.5 抗力衰减

2.3.6 刚度退化

2.3.7 骨架曲线

2.3.8 延性

2.3.9 影响角钢混凝土柱延性的主要因素

2.3.10 角钢混凝土柱抗震构造措施

2.4 本章小结

第3章 角钢混凝土柱正截面受力性能与恢复力模型

3.1 引言

3.2 角钢混凝土柱正截面受力性能

3.2.1 试验得到的角钢混凝土柱正截面承载力

3.2.2 大偏压角钢混凝土柱正截面承载力计算公式

3.2.3 小偏压角钢混凝土柱正截面承载力计算公式

3.3 角钢混凝土柱单调荷载-位移曲线仿真分析

3.3.1 材料的本构模型

3.3.2 截面弯矩-轴力-曲率分析

3.3.3 构件的单调荷载-位移仿真分析

3.4 构件的单调荷载-位移曲线参数分析

3.5 恢复力模型

3.5.1 构件荷载-位移恢复力模型

3.5.2 截面弯矩-曲率恢复力模型

3.6 本章小结

第4章 内置H型钢预应力混凝土组合梁正截面承载力与恢复力模型

4.1 引言

4.2 正截面受弯承载力计算方法

4.3 内置H型钢预应力混凝土梁荷载-位移曲线仿真分析

4.3.1 材料本构模型

4.3.2 内置H型钢预应力混凝土梁截面弯矩-曲率分析

4.3.3 内置H型钢预应力混凝土梁荷载-位移分析

4.4 构件截面单调弯矩-曲率关系参数分析

4.5 构件单调荷载-位移曲线参数分析

4.6 恢复力模型

4.6.1 截面弯矩-曲率恢复力模型

4.6.2 构件荷载-位移恢复力模型

4.7 本章小结

第5章 套建增层预应力钢骨混凝土框架弹塑性时程分析

5.1 时程分析概述

5.1.1 时程分析简介

5.1.2 地震波的选取

5.1.3 结构抗震分析模型

5.1.4 梁、柱恢复力模型和特征参数

5.1.5 套建增层预应力钢骨混凝土框架倒塌机制判断准则

5.2 套建增层预应力钢骨混凝土框架内力分析与配筋计算程序

5.3 套建增层预应力钢骨混凝土框架时程分析程序

5.4 套建增层预应力钢骨混凝土框架时程分析

5.4.1 框架抗震等级划分

5.4.2 柱弯矩增大系数

5.4.3 结构基本信息

5.4.4 8度区Ⅰ类场地土套建增层预应力钢骨混凝土框架时程分析

5.4.5 8度区Ⅱ类场地土套建增层预应力钢骨混凝土框架时程分析

5.4.6 8度区Ⅲ类场地土套建增层预应力钢骨混凝土框架时程分析

5.4.7 7度区Ⅰ类场地土套建增层预应力钢骨混凝土框架时程分析

5.4.8 7度区Ⅱ类场地土套建增层预应力钢骨混凝土框架时程分析

5.4.9 7度区Ⅲ类场地土套建增层预应力钢骨混凝土框架时程分析

5.5本章小结

第6章 套建增层预应力钢骨混凝土框架结构房屋设计与施工建议

6.1总则

6.2一般规定

6.3结构型式

6.4材料选择

6.5抗震构造措施与梁板截面尺寸选择

6.6梁、柱设计及节点构造

6.7其它

6.8工程实例

6.8.1某农垦分局红旗农场中学教学楼套建工程简介

6.8.2施工阶段自承重配筋混凝土楼盖设计与施工思路

6.8.3套建增层结构设计

6.8.4角钢混凝土柱设计与施工措施

6.8.5内置H型钢预应力混凝土组合梁设计

6.8.6内置H型钢混凝土组合次梁设计及其与框架梁连接

6.8.7主次楞设计及布置

6.9本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间申请国家发明专利

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢

个人简历