钢梁-混凝土柱框架结构抗震性能研究进展.pdf
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1、第4 1 卷第 5期 2 0 1 5年 l 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 8 9 钢梁一 混凝土柱框架结构抗震性能研究进展 汪小平 , 何 芮 , 李 桅 , 孙林柱 , 高伦浩 ( 1 江西理工大学建筑与测绘工程学院, 江西 赣州3 4 1 0 0 0 ; 2 温州大学建筑工程学院, 浙江 温州3 2 5 0 3 5 ) 摘要: 钢梁一 混凝土柱( R C S ) 框架结构由钢筋混凝土柱和钢梁组成, 是一种性能优越的组合结构形式。这种框架 结构以其建筑适用性高、 施工速度快、 基础造价低 、 力学性能好等优点
2、, 在土木工程领域得到了迅速的发展和广泛 的应用。本文阐述了国内外对 R C S 框架结构抗震性能的研究概况, 主要包括 R C S框架结构在国内外的研究和应 用背景、 框架结构的试验研究及有限元分析、 R C S框架结构的施工过程, 并指出了 R C S 框架结构在研究中存在的不 足 。 关键词 : R C S框架结构; 节点; 试验 ; 有限元; 抗震性能 中图分类号: T U 3 1 8 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 5 ) 0 50 8 90 4 0v e r v i e w r e s e a r c h 0 n s e i s mi c
3、 p e r f o r m a n c e 0 f s t e e l b e a m a nd r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn f r a me s t r u c t u r e s W ANG Xi a o p i n g , HE Ru i , L I We i , S UN Li n z h u , GAO L u n h a o ( 1 B u i l d i n g a n d S u r v e y i n g a n d Ma p p i n g E n g i n e e r i n g I n s t i t
4、 u t e , J i a n g x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y, G a n z h o u 3 4 1 0 0 0, C h i n a ; 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e , We n z h o u U n i v e r s i t y , We n z h o u 3 2 5 0 3 5 , C h i n a ) Ab s t r a c t :
5、S t e e l b e a m a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n ( R C S ) f r a me s t r u c t u r e s a r c c o m p o s e d o f r e i nfo r c e d c o n c r e t e c o l u m n s a n d s t e e l be am s I t i s a t y p e p o s s e s s i n g t h e s u p e ri o r p e r f o r ma n c e T h i s c o
6、 mp o s i t e f r a me s t ru c t u r e s h a v e s o me a d v a n t a g e s o f g o o d a p p l i c a b i l i t y, h i g h c o n s t r uc t i o n s pe e d, l o w c o ns t ru c t i o n c o s t a n d g o o d me c ha n i ca l p e rfo rm a nc eI t ha s b e e n d e v e l o pe d r a pi d l y a n d a p p
7、l i e d wi d e l y i n e n g i n e e r i n g fi e l d T h i s p a p e r e x p o u n d s t h e g e n e r al s i t u a t i o n o f t h e r e s e a r c h o n R CS f r a me s t ruc t u r e , b o t h h o me a n d a b r o a d T h e p a p e r ma i n l y i n c l u d e s b a c k g r o u n d o f t h e r e s e
8、 a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f t h e RC S f r a me s t ruc t u r e s, t h e t e s t s t u d y a n d fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s a b o u t j o i n t a n d f r a me s t ruc t u r e , a n d c o n s t r u c t i o n p r o c e s s o f R C S f r a m e s t ruc t u r e s B e s i d e s ,
9、 i t a l s o p o i n t s o u t s o m e s h o r t a g e s e x i s t i n g o n R C S f r a me s t ruc t u r e s Ke y w o r d s : R C S f r a m e s t ruc t u r e ; j o i n t ; t e s t ; fi n i t e e l e me n t ; s e i s mi c p e r f o rma n c e O 引 言 R C S框架结 构是一种性 能优越 的组合结 构形 式 , 目前在 国内外得 到了越来越 多的关 注和
10、应用。 实践表明, 梁和柱采用不同种类 的材料可 以充分发 挥各 自的优点 。梁采用钢材 , 一方面可以节约模板 、 降低施工时模板 的费用 , 减少预埋件 , 减轻 自重 , 增 大跨度 , 缩短工期 , 且便于安装管线 , 减小梁高 ; 另一 方面增加 了梁的抗弯刚度 , 从而降低梁的挠度 ; 最重 要的是钢梁抗震 、 抗冲击性能好 , 提高了整体结构的 收稿 日期 : 2 0 1 4 - 0 7 _ o 8 作者简介 : 汪小平( 1 9 7 3一) , 男 , 硕士 , 副教 授 , 主要从 事结构工程 研 究。 通讯作者: 李桅( 1 9 8 1 一) , 男, 博士, 讲师, 主要
11、从事钢一 混凝土混 合结构抗 震性 能研究 。 基金项 目: 国家 自然科学基金( 5 1 3 0 8 4 1 9, 5 1 3 7 8 3 9 8和 5 1 1 0 8 3 4 8 ) ; 浙 江省 自然科学基金( L Q 1 3 E 0 8 0 0 0 5 ) E ma i l : l i we iwo a i n i 5 21 1 6 3 C O IT I 安全性能。同时 , 钢筋混凝土柱又具有刚度大 、 抗压 性能好 、 耐火性好和便于取材等优点 , 从而可以节约 钢材 、 增强结构的稳定性。美 国和 日本对 R C S框架 结构体系的研究最早 , 已在大量 的建筑工程中应用 了这种结
12、构 。在我 国, 由于受钢材市场的限制和使 用功能 的需要 , R C S框架结构正被越来越多地应用 在大跨度工业厂房和多高层建筑 中, 并取得了较好 的经济和建筑效果。 为了满足 R C S框架结构在地震高烈度 区的使 用 , 近三十年来 , 国内外对此结构展开了大量抗震性 能方面的研究工作 , 得到 了一些有重要指导意义 的 结论 , 为工程实践和理论研究提供 了依据。基于此 , 本文阐述了 R C S框架结构的研究和应用背景, 综述 了国内外对 R C S框架结构抗震性能的研究现状。 1 R C S框架结构研究和应用背景 随着城市建设 的发展和建筑技术的进步 , 城市 四川建筑科学研究
13、第 4 l 卷 中出现 了越来越多的高层建筑 , 近十年来 , 我 国高层 建筑工程的建设 规模居世界前列 。高层建筑采 用的结构体系大体上可分钢结构 、 钢筋混凝土结构 以及钢一 混凝土混合结构三类 , 而混合结构又可分为 钢骨混凝土复合式结构和钢梁一 混凝土柱结构 。在 美 国, R C S框架结构用钢筋混凝土柱取代早期建筑 钢结构 中的钢柱, 从 而节约钢材 、 增 加结构 的稳定 性 。而在 日本 , R C S框架结构是用钢梁取代早期建 筑混凝土结构中的钢筋混凝 土梁 , 从而增大 了有效 使用空 间、 加快了施工进度。我国 R C S框架结构形 式是在大跨度单层工业厂房的改造和发展
14、基础上形 成的 , 具有 良好的经济效益。 钢一 混凝土混合结构的应用始于 1 9 7 2年, 起初 是对 钢骨 混 凝 土结 构 的 研究 和 应 用。美 国学 者 S h i mi z u最早提出 R C S框架结构的概念。2 0世纪 7 0 年代末 , 美国最先 成功开发 出 R C S框架结构体 系, 并应用在中、 高层建筑 中 J 。 1 3 本 由于受到钢骨混 凝土规范( S R C S t a n d a r d ) 条文 中对 S R C柱的钢骨截 面抗弯强度强制性规定 的阻碍 , 对 R C S框架结构的 研究和发展较慢。直到 2 0世纪 8 0年代末期 , 13本 学者才意
15、识到这种结构的优点 , 并对梁柱节点构造 进行 了大量研究 。随后 , R C S框架结构在美国和 日本都得到了很好的应用 , 日本在 1 9 9 2年 4月成立 了专 门负 责 R C S结 构体 系相 关 研究 的委 员 会。 1 9 9 3年, 美 国和 日本联合开展了为期 7年 的“ 组合 与杂交结构” 研究项 目, 其中的一项主要内容就是 对 R C S 框架结构进行节点构造 和缩尺框架 的试验 和理论研究。2 0 0 1 年 , 美国又与 台湾合作研究了足 尺框架的抗震性能。 2 0世纪 8 0年代末 , R C S框架结构 的众多优点 也逐渐被我国学者认识 到, 最早是在工业厂房
16、和轻 型房屋 中应用。1 9 8 8年设计 的神头第二发 电厂汽 机房是我国首次采用 R C S框架结构体系 的大型工 业厂房 。此后 , 经过各 国学者 和工程研究人员 的 大量试验和理论研究 , R C S框架结构体系发展迅速 , 在工业与民用建筑中的应用越来越多。 2 R C S框架结构的研究 2 1 R C S框架的试验和有 限元分析 目前 , 国 内外对 R C S节 点 的研究 已经 比较成 熟 , 并给出了相应 的公式可供参考 , 但是对框架和整 体结构的研究较少 , 尤其对足尺框架结构 的研究更 少 。 2 0 0 0年 , 美 国和 日本合作完成两榀两层两跨 的 R C S
17、缩尺框架试验 。其中一榀在 日本大阪技术 学院完成 , 另一榀在千叶大学完成。两榀框架的 比 例均为 1 3 , 节点采用 “ 梁贯通式” , 框架的顶层施加 水平循环荷载。为了研究框架和节点 的相互作用 , 设计中使梁的塑性强度与节点 的抗剪承载力相近。 试验结果表明, R C S框架具有较强的耗能能力。为 了对 R C S足 尺框架进行研 究 , 日本大 同工业 大学 ( D a i d o I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ) 完成 了三层两跨 的 R C S框架结构在循环荷载下的试验 , 框架结构层高 2 8 m, 跨度 5 5 i n
18、 , 节点采用“ 梁贯通 式” 。试验结 果表明, R C S框架结 构的抗震性较好。2 0 0 2年 , 美 国又与台湾合作, 对一个三层三跨的足尺 R C S 框架 结构进行了伪静力 和拟动力试 验 。试 验的全过 程包括试件的设计 、 加载方案的确定 、 试验技术和设 备的选择 , 以及试件 的制作和试验结果。该试验是 为了检验已有的有关 规范条文 和 R C S框架 能否用 于高设防烈度 区。试验结果表明, R C S框架结构在 罕遇地震下 , 满足“ 大震不倒 ” 的要求, 但不满足 “ 强 柱弱梁” 设计原则。 由于时间和经费的限制 , 国内外对 R C S框架结 构所做的试验研究
19、并不多 , 但进行了大量 的有限元 分析 。2 0 0 4年 , N o g u c h i 和 U c h i d a 对美 13在 2 0 0 0 年合作研究的两榀 R C S缩尺框架进 行了三维有 限 元分 析, 钢 采用 Mi s e s屈服准则 , 各 向同性 硬化模 型 ; 钢筋采用双线性硬化模型 ; 混凝土采用正交异性 亚弹性模型 ( O r t h o t r o p i e H y p o e l a s t i c Mo d e 1 ) ; 单轴受 压应力一 应变关系上升段采用 S a e n z 公式 , 下降段为 直线 ; 受 拉 时采用 “ 拉力 截 断” 模 型 ,
20、 受压 时采用 Wi l l i a m 2 Wa r n k e -五参数破坏模型。该研究 考虑 了 钢和混凝土、 钢筋和混凝土之 间的粘结 滑移。结果 表明有限元分析与试验结果 比较吻合 , 说明有限元 能很好地模拟框架 的抗震性 能和构件的破坏过程。 同年 , L i a n g和 P a r r a M o n t e s i n o s 通过有 限元程序 P e r f o r m 2 D对 3 个 6层 R C S框架结构进行 了非弹性 动力模拟研究 , 分析 了不同的节点设计方法和节点 变形对框架性能的影响。结果表明: 对于刚性节点 , 节点的变形可导致最大层 间位移增大; 但对
21、 于弹性 节点 , 控制节点变形对层间位移的影响不大 ; 以变形 控制节点的设计方法 比以强度控制节点的设计方法 更能有效控制节点总变形 , 从而减轻节点破坏程度 , 减小框架的整体侧移 。 我国近几年也对 R C S组合框架结构进行 了有 限元分析 。2 0 0 9年, 杜春晖u 利用 A N S Y S软件对 R C S整体框架在不同地震波作用下的反应进行 了动 力分析, 研究中将几组相同最大加速度的不同地震 波分别作用在框架上 , 获得 了顶层位移时程 曲线 和 层间位移对比曲线。分析得出: 随着轴压比的增加, 构件的承载能力显著增加 , 但延性 和耗能能力显著 汪小平 , 等: 钢梁一
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