• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

矩形钢管高强混凝土框架抗震性能分析

管民生 黄献奇 杜宏彪 张金刚

管民生, 黄献奇, 杜宏彪, 张金刚. 矩形钢管高强混凝土框架抗震性能分析[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(3): 483-491. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170809
引用本文: 管民生, 黄献奇, 杜宏彪, 张金刚. 矩形钢管高强混凝土框架抗震性能分析[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(3): 483-491. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170809
GUAN Minsheng, HUANG Xianqi, DU Hongbiao, ZHANG Jingang. Seismic Behavior of Rectangular High-Strength Concrete-Filled Steel Tube Frame Structure[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(3): 483-491. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170809
Citation: GUAN Minsheng, HUANG Xianqi, DU Hongbiao, ZHANG Jingang. Seismic Behavior of Rectangular High-Strength Concrete-Filled Steel Tube Frame Structure[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(3): 483-491. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170809

矩形钢管高强混凝土框架抗震性能分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170809
详细信息
    作者简介:

    管民生(1979—),男,博士,研究方向为工程抗震设计理论与方法,E-mail:msguan@szu.edu.cn

    通讯作者:

    杜宏彪(1962—),男,教授,博士,研究方向为工程抗震设计理论与方法,E-mail:gmms361@163.com

  • 中图分类号: TU398.2

Seismic Behavior of Rectangular High-Strength Concrete-Filled Steel Tube Frame Structure

  • 摘要: 为研究地震作用下矩形钢管高强混凝土框架的破坏机理和抗震性能,进行了单跨两层矩形钢管高强混凝土框架低周反复荷载试验和有限元分析. 考察结构试件在试验过程中塑性铰出现的位置、顺序及塑性发展程度,研究其破坏机制和破坏模式. 研究结构滞回曲线与骨架曲线,分析其承载能力、变形能力、耗能能力以及强度和刚度退化情况. 在此基础上,采用有限元软件Perform-3D对矩形钢管高强混凝土框架试件进行参数分析,研究了轴压比、钢材屈服强度及静力弹塑性分析水平侧向力加载模式等对结构抗震性能影响. 结果表明:矩形钢管高强混凝土框架试件呈梁铰破坏形态,并具有承载能力高、变形能力和耗能能力强的特点. 试件平均峰值荷载较屈服荷载提高了1.68倍;顶层和底层最大层间位移角分别为1/30和1/27,分别超过了规范规定限值的66.7%和85.2%. 延性系数分别超出了规定限值的58.5%和60.0%;轴压比对结构抗震性能影响显著. 当轴压比大于0.6时,结构承载能力与变形能力明显降低;水平侧向力加载模式对结构承载能力影响大. 均匀加载模式下结构承载能力最大,顶点加载模式下最小,倒三角形加载模式居于二者之间. 研究成果可为矩形钢管高强混凝土框架结构抗震设计提供参考.

     

  • 图 1  矩形钢管高强混凝土框架结构模型及内隔板式节点

    Figure 1.  Model of the RHCFT frame specimen and joint with inner diaphragm

    图 2  矩形钢管高强混凝土框架试件破坏

    Figure 2.  Failure of the RHCFT frame specimen

    图 3  试件滞回曲线

    Figure 3.  Hysteretic curves of the testing specimen

    图 4  试件骨架曲线

    Figure 4.  Backbone curve of the specimen

    图 5  试件刚度退化曲线

    Figure 5.  Stiffness degradation curve of the specimen

    图 6  材料本构模型

    Figure 6.  Constitutive models of materials

    图 7  模拟骨架曲线与试验骨架曲线对比

    Figure 7.  Comparison of FEM and experimental backbone curves

    图 8  不同轴压比下试验框架骨架曲线(Q345)

    Figure 8.  Backbone curves of frame structure under various axial load ratio (Q345)

    图 9  不同轴压比下试验框架骨架曲线(Q235)

    Figure 9.  Backbone curves of frame structure under various axial load ratio (Q235)

    图 10  不同钢材屈服强度下试验框架骨架曲线

    Figure 10.  Backbone curves of frame structure with various yield strength steel

    图 11  不同水平加载模式的框架骨架曲线

    Figure 11.  Backbone curves of frame structure under various loading mode

    表  1  钢材材料性能实测值

    Table  1.   Measured values of mechanical properties of steel

    厚度
    /mm
    屈服强度
    /MPa
    极限强度
    /MPa
    弹性模量
    /(× 104 N•mm–2
    8395.3528.62.0
    下载: 导出CSV

    表  2  混凝土材料性能实测值

    Table  2.   Measured values of mechanical properties of concrete

    试件编号试件尺寸
    /mm
    立方体抗压
    强度/MPa
    Z1150 × 150 × 15090.6
    Z2150 × 150 × 15092.3
    Z3150 × 150 × 15089.3
    下载: 导出CSV

    表  3  试件层间变形与延性

    Table  3.   Values of interstorey deformation and ductility for the specimen

    结构
    楼层
    加载
    方向
    ${\varDelta _{\rm{y}}}/{\rm{mm}}$屈服层间位移角${\theta _{\rm{y}}}/{\rm{rad}}$峰值层间位移${\varDelta _{\rm p}}/{\rm{mm}}$峰值层间位移角${\theta _{\rm p}}/{\rm{rad}}$极限层间位移${\varDelta _{\rm u}}/{\rm{mm}}$极限层间位移角${\theta _{\rm u}}/{\rm{rad}}$层间位移延性$\mu $
    顶层正向3.841/23418.931/4823.681/386.17
    反向– 4.60–1/196–22.05–1/41–29.60–1/306.34
    底层正向5.231/17222.351/4033.481/276.40
    反向– 4.42–1/204–19.05–1/47–27.53–1/336.23
    下载: 导出CSV

    表  4  试件各级滞回耗能与耗能比

    Table  4.   Ratios of hysteretic energy of each loading cycle to total cumulative hysteretic energy for the specimen

    加载级数滞回耗能/(N•mm)耗能比加载级数滞回耗能/(N•mm)耗能比加载级数滞回耗能/(N•mm)耗能比
    1110.30.000 483 403.20.012 21521 399.80.077 0
    2325.20.001 293 939.40.014 21624 129.00.086 7
    3774.90.002 8106 659.20.023 91727 460.00.098 7
    41 193.50.004 3118 860.80.031 81830 094.10.108 1
    51 766.60.006 31211 767.60.042 31931 800.60.114 3
    62 295.30.008 21314 872.40.053 42032 590.00.117 1
    72 925.70.010 51418 091.10.065 02133 839.80.121 6
    下载: 导出CSV
  • 韩林海. 钢管混凝土结构——理论与实践[M]. 北京: 科学出版社, 2004: 1-5
    于晓野,王冬冬,鄢长,等. 海控国际广场大截面矩形钢管混凝土柱施工技术[J]. 施工技术,2011,40(24): 13-16.

    YU Xiaoye, WANG Dongdong, YAN Chang, et al. Construction technology of rectangular steel tube concrete column with large cross-section in HNA international mansion[J]. Construction Technology, 2011, 40(24): 13-16.
    于敬海,赵腾,陈志华,等. 矩形钢管混凝土组合柱框架-支撑结构体系住宅设计[J]. 建筑结构,2015,45(16): 47-51.

    YU Jinghai, ZHAO Teng, CHEN Zhihua, et al. Residential building design of concrete-filled rectangular steel tubular composite column frame-bracing structural system[J]. Building Structure, 2015, 45(16): 47-51.
    张金刚. 矩形高强钢管混凝土框架结构抗震性能研究[D]. 深圳: 深圳大学, 2016
    吴兵,傅学怡,孟美莉,等. 沈阳宝能金融中心超大截面矩形钢管混凝土柱结构设计[J]. 建筑结构,2017,47(5): 15-20,25.

    WU Bing, FU Xueyi, MENG Meili, et al. Structural design on super-large concrete-filled rectangular steel tube columns of Shenyang Baoneng Financial Hub[J]. Building Structure, 2017, 47(5): 15-20,25.
    LEE H J, CHOI I R, PARK H G. Eccentric compression strength of rectangular concrete-filled tubular columns using high-strength steel thin plates[J]. Journal of Structural Engineering-ASCE, 2017, 143(5): 04016228. doi: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001724
    李志强,陈以一,王伟. 矩形钢管混凝土中短柱弯-剪性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2015,36(7): 1-9.

    LI Zhiqiang, CHEN Yiyi, WANG Wei. Experimental research on bending and shearing behavior of middle and short concrete filled steel tubular columns[J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(7): 1-9.
    PATEL V I, LIANG Qingquan, HADI M N S. Nonlinear analysis of biaxially loaded rectangular concrete-filled stainless steel tubular slender beam-columns[J]. Engineering Structures, 2017, 140: 120-133. doi: 10.1016/j.engstruct.2017.02.071
    丁永君,尚奎杰,万方贵,等. 矩形钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能试验研究及有限元分析[J]. 建筑结构学报,2012,33(2): 93-99.

    DING Yongjun, SHANG Kuijie, WAN Fanggui, et al. Experimental research and nonlinear FEA on seismic behavior of square concrete-filled tubular column to H-shape steel beam connection[J]. Journal of Building Structures, 2012, 33(2): 93-99.
    周鹏,薛建阳,陈茜,等. 矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2012,33(8): 41-50.

    ZHOU Peng, XUE Jianyang, CHEN Qian, et al. Experimental study on seismic performance of joints between concrete-filled square steel tubular special-shaped columns and steel beams[J]. Journal of Building Structures, 2012, 33(8): 41-50.
    邵永波,王文杰,陈英. 环口板加固T型方钢管节点滞回性能的试验研究[J]. 西南交通大学学报,2013,48(1): 75-80. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.01.012

    SHAO Yongbo, WANG Wenjie, CHEN Ying. Experimental study on hysteretic behavior of square tubular T-joints reinforced with collar plate[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2013, 48(1): 75-80. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.01.012
    李斌,张敬磊,刘霞. 矩形钢管混凝土平面框架结构抗震性能的试验研究[J]. 内蒙古科技大学学报,2012,31(1): 85-89. doi: 10.3969/j.issn.2095-2295.2012.01.017

    LI Bin, ZHANG Jinglei, LIU Xia. Experimental research on seismic behavior of concrete-filled rectangular steel tubular planar frames[J]. Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology, 2012, 31(1): 85-89. doi: 10.3969/j.issn.2095-2295.2012.01.017
    孙修礼. RC梁-钢管混凝土柱单跨框架抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2009,30(1): 142-146,156. doi: 10.3321/j.issn:1000-6869.2009.01.021

    SUN Xiuli. Experimental research on seismic behavior of single span concrete-filled steel tubular frame with reinforced concrete beams[J]. Journal of Building Structures, 2009, 30(1): 142-146,156. doi: 10.3321/j.issn:1000-6869.2009.01.021
    ZHOU Ting, JIA Yumeng, XU Minyang, et al. Experimental study on the seismic performance of L-shaped column composed of concrete-filled steel tubes frame structures[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2015, 114: 77-88. doi: 10.1016/j.jcsr.2015.07.009
    闻洋,孟春才,郭红玲. 基于性能的三层全钢管混凝土框架试验研究[J]. 西南交通大学学报,2017,52(1): 45-53. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2017.01.007

    WEN Yang, MENG Chuncai, GUO Hongling. Performance-based experiment research on three-story concrete-filled steel tubular frame[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2017, 52(1): 45-53. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2017.01.007
    建筑标准设计研究院. 高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程: CECS230—2008[S]. 北京: 中国计划出版社, 2008
    同济大学, 浙江杭萧钢构股份有限公司. 矩形钢管混凝土结构技术规程: CECS159—2004[S]. 北京: 中国计划出版社, 2004
    中国建筑科学研究院. 建筑抗震试验方法规程: JGJ101—96[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008
    中国建筑科学研究院. 建筑抗震设计规范: GB50011—2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010
    王军. 考虑高振型影响的静力弹塑性分析方法侧向力加载模式研究[D]. 深圳: 深圳大学, 2016
  • 加载中
图(11) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  543
  • HTML全文浏览量:  237
  • PDF下载量:  15
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-14
  • 修回日期:  2018-03-14
  • 网络出版日期:  2019-03-14
  • 刊出日期:  2019-06-01

目录

    /

    返回文章
    返回