建筑科學(xué)與技術(shù)

張向?qū)愖谄?，薛建陽，?/p>

建筑科學(xué)與技術(shù)

鋼管再生混凝土軸壓長柱試驗(yàn)研究及力學(xué)性能分析

張向?qū)愖谄?，薛建陽，?/p>

目的：隨著我國大規(guī)模的城鎮(zhèn)化發(fā)展，尤其是近年來基礎(chǔ)設(shè)施改造和升級，大量的廢棄混凝土相應(yīng)產(chǎn)生，如何科學(xué)合理地處理這些建筑廢棄物，成為擺在科研工作者面前的一大難題。近年來，再生混凝土技術(shù)有效地實(shí)現(xiàn)了建筑廢棄物的再生資源化利用。為了充分利用再生混凝土和鋼管混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)，將再生混凝土替代鋼管內(nèi)部的天然混凝土，形成鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)，成為國內(nèi)外學(xué)者研究的一大熱點(diǎn)，但對這種新型結(jié)構(gòu)的研究尚處于起步階段。本文對圓、方鋼管再生混凝土長柱的軸壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析，以期推動鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。方法：選取截面形式、再生粗骨料取代率和長細(xì)比三種變化參數(shù)，對5個(gè)圓鋼管再生混凝土和5個(gè)方鋼管再生混凝土長柱試件進(jìn)行試件的軸壓性能試驗(yàn)。觀察了試件受力的全過程和破壞形態(tài)，捕捉了試件屈服應(yīng)變、峰值變形、極限承載力等重要特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制出荷載-變形、荷載-應(yīng)變、軸壓剛度-變形等一系列重要關(guān)系曲線，并分析了變化參數(shù)對試件極限承載力的影響規(guī)律，采用數(shù)部相關(guān)規(guī)程計(jì)算兩種截面形式的鋼管再生混凝土軸壓長柱的極限承載力以及在正常使用極限狀態(tài)下的剛度。結(jié)果：鋼管再生混凝土軸壓長柱受力過程均經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段和破壞階段，破壞形態(tài)主要有材料強(qiáng)度破壞和彈塑性失穩(wěn)破壞。再生粗骨料取代率對鋼管再生混凝土軸壓長柱的承載力影響不大，取代率50%的鋼管再生混凝土試件比取代率為0%、100%的試件，極限承載力有小幅度的提升。在長細(xì)比等于31.30、38.26和52.17情況下，其對圓鋼管再生混凝土試件極限承載力影響較大，隨長細(xì)比的增加，試件的極限承載力逐漸降低；在長細(xì)比等于34.64、43.30和51.96情況下，其對方鋼管再生混凝土試件極限承載力影響較小，這是因?yàn)榉戒摴茉偕炷猎嚰捎谕獠夸摴軐诵幕炷恋募s束較弱，在長細(xì)比對方鋼管再生混凝土試件極限承載力產(chǎn)生較大影響之前，端部鋼管的鼓曲模態(tài)已經(jīng)非常明顯，試件因失去承載力而發(fā)生破壞。建議采用CECS28：90、DBJ13-51-2003設(shè)計(jì)圓鋼管再生混凝土軸壓長柱的極限承載力，建議采用規(guī)程GJB4142-2000、DBJ13-51-2003設(shè)計(jì)方鋼管再生混凝土軸壓長柱的極限承載力；建議采用規(guī)程DBJ13-51-2003）CECS28：90設(shè)計(jì)圓鋼管再生混凝土長柱的軸壓剛度，采用規(guī)程DBJ13-51-2003）CECS159：2004設(shè)計(jì)方鋼管再生混凝土長柱的軸壓剛度。結(jié)論：10根圓形、方鋼管再生混凝土軸壓長柱受力過程和破壞形態(tài)基本相似；再生粗骨料取代率對鋼管再生混凝土軸壓長柱的承載力影響不大，總體看來，再生混凝土應(yīng)用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中對極限承載力影響不大，可應(yīng)用于工程實(shí)踐之中；在現(xiàn)有參數(shù)變化范圍內(nèi)，長細(xì)比對圓鋼管再生混凝土試件極限承載力影響較大，而對方鋼管再生混凝土試件極限承載力影響較小。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2012, 33(9)： 43089

入選年份：2015

高強(qiáng)超薄壁冷彎型鋼低層住宅抗震設(shè)計(jì)方法

沈祖炎，劉飛，李元齊

摘要：目的：目前國內(nèi)外對于低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系抗震性能的研究不夠充分，主要局限于足尺模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的層面，且無明確的抗震分析方法和設(shè)計(jì)方法。本文利用國內(nèi)外試驗(yàn)研究的成果，研究低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的分析方法，并對其抗震設(shè)計(jì)方法提出建議。方法：在綜合國內(nèi)外足尺模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用簡化的宏觀等效計(jì)算模型研究低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的抗震分析和設(shè)計(jì)方法。首先，對冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的主要受力單元即龍骨式復(fù)合墻體系采用單等效斜支撐計(jì)算模型建立與復(fù)合墻體等效的抗震分析用恢復(fù)力模型。該模型的骨架曲線采用四折線模型，滯回特性采用定點(diǎn)指向模型。基于國內(nèi)外各種類型龍骨式復(fù)合墻體抗震性能足尺試驗(yàn)的結(jié)果，確定恢復(fù)力模型中各參數(shù)值。然后，用有限元軟件計(jì)算采用單等效斜支撐計(jì)算模型的低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下的地震響應(yīng)，并與足尺結(jié)構(gòu)模型的地震模擬振動臺試驗(yàn)結(jié)果比較，分析研究低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下最簡捷和最有效的分析方法，并提出抗震設(shè)計(jì)建議。結(jié)果：通過理論分析和試驗(yàn)結(jié)果的對比，得到了以下結(jié)果：（1）冷彎薄壁型鋼龍骨式復(fù)合墻體的抗震性能可用單等效斜支撐的恢復(fù)力計(jì)算模型模擬，其骨架曲線為四線型，滯回特性采用定點(diǎn)指向模型。（2）單等效斜支撐計(jì)算模型可用于低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下的地震響應(yīng)分析，具有概念清晰、計(jì)算簡便、精度可靠等優(yōu)點(diǎn)。（3）多遇地震抗震分析時(shí)，可采用基底剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法，分析得到的地震響應(yīng)都與試驗(yàn)結(jié)果接近。對于結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則的結(jié)構(gòu)，可采用基底剪力法，在各主軸方向分別作抗震分析。（4）在罕遇地震作用下可采用靜力彈塑性分析法，整體結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果表明，在性能點(diǎn)的基底剪力和位移值與足尺模型振動臺試驗(yàn)的結(jié)果吻合較好。（5）通過分析，對此類體系的抗震設(shè)計(jì)方法提出建議如下：（a）建筑結(jié)構(gòu)體系宜規(guī)則布置，以形成有效的抗側(cè)力系統(tǒng)。抗剪墻體應(yīng)布置在建筑結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主方向，形成明確的抗震體系。（b）在多遇水平地震作用下，可采用基底剪力法和振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析，在建筑結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主方向分別計(jì)算水平荷載。每個(gè)主軸方向的水平荷載應(yīng)由該方向墻體承擔(dān)，可根據(jù)其抗剪剛度大小按比例分配，并應(yīng)考慮門窗洞口對墻體承載力和剛度的削弱作用。（c）在進(jìn)行多遇地震作用的彈性設(shè)計(jì)后，可對復(fù)合墻體等抗側(cè)力結(jié)構(gòu)采取合理的抗震構(gòu)造措施，以滿足罕遇地震作用下的抗震設(shè)防要求。（d）對于體型復(fù)雜、剛度和質(zhì)量分布不均勻的低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)進(jìn)行雙向地震作用分析。如需進(jìn)行罕遇地震作用下的分析和設(shè)計(jì)，可采用靜力彈塑性分析法。結(jié)論：（1）低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)一般只需要考慮多遇地震作用的彈性設(shè)計(jì)。通過采取合理的墻體抗震構(gòu)造措施，能夠滿足罕遇地震作用下的抗震設(shè)防要求。（2）進(jìn)行抗震分析時(shí)，采用單等效斜支撐簡化模型模擬復(fù)合墻體的抗震性能是合理可行的。（3）在多遇地震作用下，規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震分析可采用底部剪力法；不規(guī)則結(jié)構(gòu)宜采用雙向地震作用下的時(shí)程分析法；（4）對于需要進(jìn)行罕遇地震分析的結(jié)構(gòu)，阻尼比可采用4%～6%，可采用靜力彈塑性分析法，結(jié)構(gòu)的最大控制層間位移角限值取1/100 rad。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2013, 34(1)： 44-51

入選年份：2014

保溫模塊單排配筋再生混凝土低矮剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究

曹萬林，程娟，張勇波，等

摘要：目的：歷次大地震村鎮(zhèn)低層及多層房屋損毀嚴(yán)重，房屋倒塌造成大量人員傷亡。傳統(tǒng)村鎮(zhèn)低層及多層房屋以粘土磚房屋為主，粘土磚禁用以后，亟需研發(fā)適于村鎮(zhèn)低層及多層住宅的新型結(jié)構(gòu)體系。提出了一種適于村鎮(zhèn)低層及多層房屋的保溫空腔模塊單排配筋再生混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系的墻體由單排配筋再生混凝土剪力墻、帶燕尾槽的模塑聚苯乙烯（EPS）保溫空腔模塊和面層砂漿組合而成，保溫空腔模塊的腔內(nèi)燕尾槽與灌注于腔內(nèi)的再生混凝土剪力墻咬合，保溫空腔模塊腔外燕尾槽與抹于面層的砂漿咬合。設(shè)計(jì)并制作了典型試件，進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究了抗震性能和承載力計(jì)算方法。方法：（1）結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)并制作典型試件。設(shè)計(jì)并制作了2個(gè)槽型截面保溫模塊單排配筋再生混凝土剪力墻原型試件，兩個(gè)試件的剪跨比均為1.0，區(qū)別在于是否有EPS保溫空腔模塊及面層砂漿。帶EPS保溫空腔模塊試件制作時(shí)，先將EPS模塊進(jìn)行企口拼接，形成130 mm厚空腔，然后在空腔內(nèi)布置單排鋼筋并澆筑再生混凝土，最后在EPS模塊外抹20 mm防裂砂漿。再生混凝土的粗骨料全部為再生粗骨料，細(xì)骨料為天然砂。（2）采用試驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法。首先進(jìn)行低周反復(fù)荷載下抗震性能試驗(yàn)，研究破壞特征、承載力、位移與延性、剛度退化及耗能性能，分析應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，明晰損傷演化過程；在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，深化理論研究，揭示其抗震機(jī)理，建立承載力模型，提出承載力計(jì)算方法。結(jié)果：（1）從各試件破壞形態(tài)可知，由于本次試驗(yàn)各試件剪跨比較小，各試件均出現(xiàn)了沿對角線開裂的剪切破壞，EPS保溫模塊及其面層砂漿對延緩墻體開裂有一定作用。從墻體取芯樣本可知，再生混凝土墻體、EPS保溫模塊、面層砂漿各界面未見明顯滑移，可很好地共同工作。（2）從各試件滯回特性、承載力、位移、剛度及耗能對比可知，EPS保溫模塊及其面層砂漿對可顯著提高墻體的承載力、變形和耗能能力，對延緩試件的剛度退化有一定作用。（3）從鋼筋應(yīng)變分析可知，相同位移角下同一鋼筋應(yīng)變測點(diǎn)處，帶EPS保溫模塊和面層砂漿試件鋼筋應(yīng)變明顯小于不帶保溫模塊試件。結(jié)論：（1）EPS保溫空腔模塊單排配筋再生混凝土剪力墻與普通單排配筋再生混凝土剪力墻相比，承載力明顯提高，剛度退化減慢，耗能能力大幅度提高；（2）提出的保溫空腔模塊單排配筋再生混凝土剪力墻承載力計(jì)算模型與公式，考慮了面層砂漿貢獻(xiàn)，可用于該剪力墻結(jié)構(gòu)體系組合墻體的抗震承載力計(jì)算；（3）保溫空腔模塊單排配筋再生混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，具有抗震保溫一體、施工簡便易行的優(yōu)勢，可用于村鎮(zhèn)低層及多層房屋抗震設(shè)計(jì)。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2015, 36(1)： 51-58

入選年份：2015

兩邊連接屈曲約束鋼板剪力墻受力機(jī)理與等效支撐模型

李國強(qiáng)，劉文洋，陸燁，等

摘要：目的：普通鋼板墻和四邊連接屈曲約束鋼板墻的受力規(guī)律已經(jīng)較為明確，但兩邊連接屈曲約束鋼板墻的受力機(jī)理研究較少，且已有的鋼板墻簡化分析模型尚不能完全準(zhǔn)確地模擬屈曲約束鋼板墻的受力行為，有些模型僅適用于單調(diào)加載受力分析，有些模型僅在特定的高寬比范圍內(nèi)適用。本文利用理論分析和有限元方法對兩邊連接矩形屈曲約束鋼板墻的受力機(jī)理和傳力規(guī)律進(jìn)行研究，提出兩邊連接屈曲約束鋼板墻等效交叉支撐模型，實(shí)現(xiàn)框架-屈曲約束鋼板墻結(jié)構(gòu)在單調(diào)和往復(fù)荷載作用下準(zhǔn)確的彈塑性分析，且不受高寬比等參數(shù)的限制。方法：利用有限元方法對不同寬度、高度和厚度的兩邊連接屈曲約束鋼板墻進(jìn)行受力分析，研究邊緣約束區(qū)寬度與上述各參數(shù)的關(guān)系。借鑒美國和加拿大規(guī)范對于四邊連接普通鋼板墻豎向邊緣構(gòu)件的剛度規(guī)定，得到邊緣約束區(qū)的寬度，并與有限元結(jié)果進(jìn)行對比。利用有限元方法，對兩邊連接屈曲約束鋼板墻進(jìn)行建模分析，研究其中間剪切區(qū)和兩側(cè)邊緣約束區(qū)的應(yīng)力流分布規(guī)律。通過對邊緣約束區(qū)進(jìn)行受力分析，研究邊緣約束區(qū)在中間剪切區(qū)發(fā)生剪切屈服時(shí)沿水平和豎直方向的塑性發(fā)展寬度和高度。利用有限元參數(shù)分析方法，通過對比框架-兩邊連接屈曲約束鋼板墻與框架-等效支撐結(jié)構(gòu)的承載力和剛度，研究不同偏心距的影響。結(jié)果：針對邊緣約束區(qū)寬度的有限元參數(shù)分析結(jié)果表明：當(dāng)鋼板墻高寬比小于1.5時(shí)，無論是僅對屈曲約束鋼板墻本身進(jìn)行分析，還是將鋼板墻放在框架結(jié)構(gòu)中進(jìn)行整體分析，以及無論是采用梁單元還是殼單元來模擬框架，鋼板墻邊緣約束區(qū)的寬度均接近于墻高的1/3，且與高寬比、厚度無關(guān)。根據(jù)美國和加拿大規(guī)范中對于四邊連接鋼板墻豎向邊緣構(gòu)件的剛度要求反推得到：在常用高寬比范圍內(nèi)，邊緣約束區(qū)寬度也約為墻高的1/3。有限元結(jié)果同樣表明：中間剪切區(qū)的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力方向與豎向均成45°，且主拉壓應(yīng)力相等，該區(qū)域呈純剪狀態(tài)；而邊緣約束區(qū)主拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于主壓應(yīng)力或主壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于主拉應(yīng)力，主拉應(yīng)力或主壓應(yīng)力方向與豎向夾角從16°逐漸過渡到40°左右，平均值為25°。根據(jù)上述特征，當(dāng)鋼板墻高寬比小于1.5時(shí)，兩邊連接屈曲約束鋼板墻傳給邊緣構(gòu)件（梁）的力可按中間剪切區(qū)和邊緣構(gòu)件區(qū)分別進(jìn)行分析。中間剪切區(qū)處于純剪狀態(tài)，鋼板墻在該范圍內(nèi)與梁只傳遞剪力，在設(shè)計(jì)該區(qū)域的連接時(shí)可按滿足受剪承載力要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩側(cè)邊緣約束區(qū)同時(shí)存在剪力和拉力（壓力），但剪力相對較小，在設(shè)計(jì)該區(qū)域連接時(shí)，可按滿足拉壓承載力要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)鋼板墻高寬比大于等于1.5時(shí)，鋼板墻以彎曲受力為主，不存在中間剪切區(qū)，因此在設(shè)計(jì)連接時(shí)按照滿足拉壓承載力要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對邊緣約束區(qū)的受力分析，由豎向力平衡方程得到：當(dāng)中間剪切區(qū)發(fā)生剪切屈服時(shí)，邊緣約束區(qū)端部屈服的區(qū)域沿水平方向向內(nèi)發(fā)展寬度約為0.2倍墻高，沿豎直方向向內(nèi)發(fā)展高度約為0.1倍墻高，有限元分析結(jié)果與此理論推導(dǎo)相符。通過有限元參數(shù)分析，考慮了等效支撐模型的支撐點(diǎn)取在墻邊緣以及0.1倍墻高（鋼板墻高寬比小于1.5時(shí)）處或者距鋼板墻邊緣六分之一墻寬處（鋼板墻高寬比大于等于1.5時(shí)），分析結(jié)果表明：將支撐點(diǎn)取在墻邊緣雖可較好地模擬屈曲約束鋼板墻的承載力，但初始剛度的誤差較大，而支撐點(diǎn)按照本文方法取在邊緣約束區(qū)豎向合力點(diǎn)，則能很好地模擬屈曲約束鋼板墻的剛度和承載力，無論是對于單層結(jié)構(gòu)還是多層結(jié)構(gòu)都具有較好的精度，尤其是在常用的層高范圍內(nèi)，誤差均在10%以內(nèi)。通過對其中3層結(jié)構(gòu)模型的分析，結(jié)果表明：本文提出的等效支撐模型可以更好地模擬框架-兩邊連接屈曲約束鋼板墻結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的受力行為，同時(shí)對于框架的應(yīng)力分布、變形形態(tài)和塑性鉸位置，也與鋼板墻模型一致。結(jié)論：（1）兩邊連接屈曲約束鋼板墻在左右兩側(cè)寬度為1/3墻高范圍內(nèi)形成了邊緣約束區(qū)，該區(qū)域?qū)χ虚g部分形成了有效約束，使得中間部分的受力類似于四邊連接屈曲約束鋼板墻，形成純剪區(qū)。（2）當(dāng)鋼板墻高寬比小于1.5時(shí)，兩邊連接屈曲約束鋼板墻的屈服區(qū)呈I形分布，I型區(qū)外伸端部高度約為墻高的1/10，與高寬比、厚度無關(guān)。（3）中間剪切區(qū)與梁之間只傳遞剪力，該區(qū)域的連接可按滿足受剪承載力要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按內(nèi)嵌鋼板的抗剪強(qiáng)度來確定。兩側(cè)邊緣約束區(qū)與梁之間主要傳遞豎向拉力或壓力，該區(qū)域的連接可按滿足拉壓承載力要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按內(nèi)嵌鋼板的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行確定。（4）鋼板墻高寬比小于1.5時(shí)，邊緣約束區(qū)豎向力的合力點(diǎn)可取在距鋼板墻邊緣0.1倍墻高處；鋼板墻高寬比大于等于1.5時(shí)，不存在中間剪切區(qū)，豎向力的合力點(diǎn)可取在距鋼板墻邊緣的墻寬六分之一處。（5）本文提出了支撐點(diǎn)取在邊緣約束區(qū)豎向力合力點(diǎn)的等效支撐模型，分析結(jié)果表明：該等效支撐模型在剛度和承載力方面具有更好的準(zhǔn)確性，無論是單調(diào)加載還是往復(fù)加載均能準(zhǔn)確地模擬兩邊連接屈曲約束鋼板墻結(jié)構(gòu)的受力行為。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2015, 36(4)： 33-41

入選年份：2015