方钢管混凝土组合异形柱抗震性能研究

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方钢管混凝土组合异形柱(简称SCFT柱)是从提高建设用房土地利用率和增加住房室内使用面积的角度出发提出的一种新型竖向承重构件。本文提出了无孔钢板连接式SCFT柱,通过实体单元数值模拟,对比了连接板无孔和开孔构造的性能差异,结果显示:在轴压荷载下,连接板不开孔提高了构件的极限承载力,但对构件的刚度和屈服位移影响不大;在反复荷载下,与开孔式SCFT相比,延性略有降低,极限承载力和耗能能力有所提高。综合受力性能与加工施工复杂程度,无孔式SCFT柱具有更优越的综合性能。采用有限元法,以混凝土强度、钢材强度、轴压比和连接板宽厚比为参数,模拟SCFT柱在反复荷载下的受力过程。结果表明:提高钢材强度能有效改善柱的承载能力,但延性显著降低;混凝土强度对柱承载力和延性的影响并不明显;轴压比越大,构件的延性和承载力越低;连接板宽厚比越小,柱的延性越好,刚度退化越平稳充分,构件在宽厚比为19时具有最优的耗能性能。综合认为,对于单肢为100mmx4mm的SCFT柱,宽厚比在19至38时,连接板与单肢的协同作用好,构件具有最优的抗震性能与经济性。进行了SCFT柱-H型钢梁平面框架的滞回性能模拟,框架具有较好的耗能能力和延性。随着柱轴压比和梁跨度的增大,框架的破坏机制将由梁铰破坏模式向柱端先形成单肢偏压塑性铰的破坏模式过渡。轴压比对框架的极限承载力、延性和强度退化均有不利影响。填充墙在框架加载前期能够有效分担水平荷载,相比空SCFT柱框架,带填充墙框架的极限承载力和弹性阶段刚度大幅提高,但耗能能力显著下降,建议工程中采取柔性连接或预留缝隙的做法。通过静力弹塑性分析法进行了SCFT柱结构体系的抗震性能研究,建立了层数为12层的SCFT柱框架-支撑模型:首先,结构在多遇地震与罕遇地震下的的侧向变形分别满足弹性与弹塑性极限要求;其次,SCFT柱模型的抗侧性能要优于相同用钢量的CFST柱模型;第三,SCFT柱框架支撑体系的屈服机制为:支撑-梁-SCFT柱,能够满足“小震不坏,大震不倒”的设计目标;最后以天津市宝坻区绿色农民住房工程为背景,进行了结构体系的受力性能分析。
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