ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
双向单排配筋混凝土剪力墙适用于多层住宅结构,为将其抗震性能与砖砌体结构进行比较,研究低配筋率、水平分布钢筋端部锚固形式、不同边缘构造对高剪力墙抗震性能的影响,进行了4个剪跨比为2.0的高剪力墙低周反复荷载试验研究,其中3个为不同设计参数的混凝土剪力墙,1个为约束配筋页岩砖砌体剪力墙。分析比较了各剪力墙的滞回特性、承载力、延性、刚度及其退化过程、耗能能力及破坏特征。在试验研究基础上,给出了其承载力简化力学计算模型与公式,计算结果与试验结果吻合较好。研究表明,双向单排配筋混凝土高剪力墙的抗震性能优于砖砌体墙,满足多层住宅结构抗震设计要求。
按性能设计理论,在剪力墙两端设置端柱,并在构件的塑性铰区采用分段约束高强箍筋,设计了6个带端柱高强混凝土剪力墙试件,进行了拟静力试验,对其破坏形态、滞回特性、变形能力、刚度退化、耗能能力、截面应变等进行了研究。根据试验结果,给出了6个试件在使用良好、生命安全和防止倒塌3个性能水平对应的位移角分布范围和平均值;分析了轴压比、剪跨比、约束箍筋数量及范围等因素,对剪力墙的延性、耗能能力和破坏形态的影响。研究结果表明,端柱可以对剪力墙提供有效约束,提高剪力墙的变形能力和耗能能力;设置端柱并根据轴压比和位移延性需求确定的分段约束箍筋数量及范围,可以明显改善高强混凝土剪力墙的脆性,使高强混凝土剪力墙的延性指标达到设计要求;3个性能水平对应的位移角与构件的损伤程度有较好的相关性,可以用作这种构件的性能指标。
通过外贴碳纤维(CFRP)布加固钢筋混凝土梁受弯试验,研究了加固后钢筋混凝土梁在不同CFRP用量、不同CFRP-混凝土粘结宽度和不同预裂裂缝情况下的弯曲裂缝性能,测量了加固梁中纯弯段内钢筋和CFRP应变分布,分析得到了CFRP-混凝土局部粘结-滑移曲线特征。结果表明,外贴CFRP对加固梁的裂缝性能具有显著的改善效果,随CFRP用量和CFRP-混凝土粘结宽度的增加,裂缝间距和宽度均减小,随预裂荷载的增大,加固梁的裂缝间距和宽度增大。采用基于粘结-滑移理论的裂缝分析模型对试验梁的裂缝性能进行了分析,模型同时考虑了钢筋-混凝土界面粘结-滑移和CFRP-混凝土界面粘结-滑移对裂缝性能的影响,模拟裂缝宽度和试验裂缝宽度的对比表明,基于粘结-滑移理论的裂缝分析是合理的。
采用楔劈拉伸试验方法,对14组共42个混杂纤维(钢纤维-聚丙烯纤维)高强混凝土试件进行楔劈拉伸试验,研究混杂纤维高强混凝土的断裂性能。研究结果表明:在钢纤维体积率为1.5%、聚丙烯纤维掺量为0.6kg/m3时,混杂纤维高强混凝土表现出较好的断裂韧性,但随着聚丙烯纤维掺量的增大,其增韧效果变化不大;当聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m3时,混杂纤维高强混凝土断裂韧度、断裂能、裂缝嘴张开位移及其增益比均随钢纤维体积率的增加表现出良好的增加趋势;钢纤维在高强混凝土断裂性能的改善方面起着主导作用,随着钢纤维体积率的增加,聚丙烯纤维的增韧作用逐渐减弱;钢纤维类型对混杂纤维高强混凝土的断裂性能具有不同程度的影响。
广州西塔地下4层(局部5层),地面以上103层,主塔楼高432m,采用巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒结构。斜交网格筒侧向刚度、抗扭刚度大,以斜柱轴力抵抗水平荷载引起的结构楼层水平剪力和倾覆力矩,充分发挥了高强钢管混凝土柱的优势,是超高层建筑的优良结构形式。介绍西塔结构的抗震设计,以概念设计和简单演算论证了结构的抗震安全性。由于结构构件承载力及刚度需求为风荷载组合所控制,相对于地震作用而言,结构的超强系数大,易于达到比现行建筑结构抗震设计要求更高的抗震性能目标。结合西塔的具体情况,讨论了西塔结构抗震等级的设定问题,指出有必要循R-μ-T关系改进关于结构抗震等级的规定。
广州西塔主塔楼高432m,结构形式采用钢管混凝土巨型斜交网格外筒和钢筋混凝土内筒构成的筒中筒结构。斜交网格外筒由不同角度的钢管混凝土柱斜向相贯而成,为了实现节点承载力大于构件承载力的强节点设计原则,提出了两种节点构造形式:加强板+衬板节点和法兰板节点。为了验证两种节点构造的合理性,了解节点实际受力的工作性状、破坏机理和承载能力,进行了8个比例为1∶5.5的节点模型试验,设计并制作了能承受20000kN的自平衡钢结构加载架,采用两个10000kN千斤顶对相贯节点的柱端施加轴向力。结果表明两种构造形式的节点均表现出了约束混凝土的特点,均可满足西塔主塔楼结构设计承载力的要求,具有较高的安全性。相对法兰板节点,加强板+衬板节点对核心混凝土约束作用较大,力学性能较好。
平面相贯节点试验无法考虑西塔实际结构中节点平面外角度及楼面梁对节点平面外刚度的贡献。为了更好地研究实际结构中节点的受力性能,在改进加强环+衬板平面相贯节点构造的基础上提出了一种空间相贯节点构造,进行了比例为1∶5.86的4个节点模型试验。试验结果表明:空间相贯节点可以满足西塔结构承载力的要求,验证了节点承载力大于构件承载力的强节点设计原则。平面外位移对节点承载力的影响较大,在设计中应采用加强楼面梁或采用预应力索等方式严格控制节点平面外位移,保证结构安全可靠。
斜交网格结构体系由斜交成网格状的斜柱组成,同时承受竖向和水平荷载,具有刚度大、抗侧性能好的特点,已成功应用于广州西塔超高层(432m)结构外筒。针对超高层建筑筒中筒结构中的斜交网格外筒结构,通过结构力学方法推导最优斜交角度,采用三维杆系单元进行结构整体受力分析,得出了斜交角度、平面形状与结构位移、内力的关系曲线和参数变化规律。结果表明:有角柱和无角柱斜交网格结构的最佳斜交角度分别为53°~69°和63°~76°;随着斜交角度的增大,结构竖向刚度增大而抗扭刚度逐渐减小,但抗扭能力依然较好。平面形状对结构抗侧刚度、最佳斜交角度和柱轴力的影响不大;随平面边数的增加,斜柱的剪力和弯矩及梁的轴力均呈下降趋势。最后基于抗侧刚度控制的设计方法建立简化公式,给出了一种估算矩形平面斜交网格结构斜柱截面的方法,为工程设计提供参考。
广州新电视塔整体屈曲分析表明,底部透空区外筒的群柱面外失稳是结构设计中的控制因素之一。为能够准确模拟底部透空区外筒中最不利柱的受力特征,通过对3柱、5柱、7柱并联群柱模型以及底部透空区整体模型的稳定承载力分析与比较,确定以5柱并联群柱模型为试验对象。在两种不同轴力比例的加载模式下,对两榀群柱模型进行试验研究,考察最不利柱的稳定承载力、破坏模态及受力机理,探索影响群柱失稳性能的关键因素。试验结果揭示:(1)群柱的轴力分布模式对最不利柱承载力和破坏形式有重要影响;(2)群柱失稳时的相互作用(周边构件对最不利柱的约束作用)可以较大幅度地提高单柱的稳定承载力;(3)群柱失稳时环向构件的弯弓效应会强化柱受到的支撑作用;(4)广州新电视塔外筒结构依据目前斜柱和斜撑与环梁不共面的构件布置形式以及独特的节点构造设计,能够满足面外稳定承载力设计要求。
为解决广州新电视塔透空区群柱面外稳定性设计问题,在底部透空区5柱模型试验研究的基础上,对5柱模型和各透空区外筒群柱的稳定性能进行了深入的理论研究。首先,运用有限元方法对5柱模型在各种轴力分布模式下的弹性屈曲性能以及轴压稳定承载力进行了研究,其结果显示:周边柱轴压力水平越低,5柱模型中最不利柱受到的约束越强,轴压稳定承载力也越高,而且其对初始缺陷不敏感。其次,指出计算长度系数法适用于透空区群柱面外稳定性设计,针对透空区群柱所受约束作用十分复杂的特点,提出可通过有限元屈曲分析确定柱面外计算长度系数。第三,针对5柱模型,比较了分别由试验、有限元方法和基于有限元屈曲分析的计算长度系数法确定的最不利柱轴压稳定承载力,表明有限元分析结果具有较高的准确性,同时验证了计算长度系数法用于群柱面外稳定性设计具有一定的安全性。最后,通过对有限元屈曲分析给出了各透空区外筒群柱面外计算长度系数的建议值,为了广州新电视塔透空区外筒群柱的面
在建的广州新电视塔总高610m,为目前世界最高的电视塔。针对天线与塔体的连接,选出插入式和桁架转换两个连接方案,并对两种方案下结构振型、风致响应、温度作用影响等进行了对比分析。结果表明:插入式方案的塔体顶部混凝土应力较大,桁架转换方案对建筑功能设计影响较大,考虑到安全问题,采用插入式方案作为广州新电视塔塔体与天线的连接方案,并提出了采用内置钢板钢筋混凝土剪力墙等的处理措施。
中洲中心二期工程结构由相距120m的2个高86.5m的主塔楼和上下2个连廊组成,高空连廊跨度为120m,低空连廊跨度为90m。主塔楼采用带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架剪力墙结构,高空连廊采用带粘滞阻尼器的钢桁架结构,低空连廊采用纯钢桁架结构。该结构体形特殊、存在大跨度连体、刚度不连续等多项超限,结构的地震响应复杂。在小震和中震弹性分析基础上,采用基于纤维模型理论的PERFORM-3D软件对塔楼结构进行静力弹塑性分析,对整体结构进行大震作用下弹塑性时程分析。并参考美国基于性能抗震规程ASCE-41制定构件变形性能指标,对构件的变形响应进行评估。小震和中震作用下的结构弹性分析表明,结构与构件均满足我国现行抗震规范要求。静力弹塑性分析结果与整体结构大震弹性算得的基底剪力作对比,结果表明塔楼结构具有很好的抗侧性能。弹性分析以及弹塑性分析的计算结果对比表明分析结果合理,设置了粘滞阻尼器以后,构件非线性损伤减小,整体结构及构件满足既定的变形性能目标,
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