方形钢管混凝土框架抗震性能研究

作     者：童菊仙 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐礼华

授予年度：2005年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：方形钢管混凝土框架 振动台试验 地震反应 动力特性 有限元分析 

摘      要：钢管混凝土结构具有承载力高、施工方便、耐火性能好、耐腐蚀性强、节点连接简单、传力可靠、经济性好等特点。因此,高层建筑、大型结构和国防工程等领域对这种新型结构提出了越来越迫切的要求,钢管混凝土结构也成为当前研究的热点。目前,国内外专家学者利用试验和有限元计算等研究方法对钢管混凝土结构构件和节点的力学性能进行了大量研究,取得了丰硕的成果,但对钢管混凝土空间框架体系抗震性能的研究尚不多见。为了合理、安全地推广这类结构,尤其在我国这样一个地震多发国家,对钢管混凝土整体结构抗震性能的研究显得尤为重要。 本文在湖北省自然科学基金项目(200320903)的资助下,根据《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159:2004)等相关规范、规程的要求,按照1:5的缩尺比例,设计并制作了一个五层、单跨、两开间的方形钢管混凝土框架模型。对模型进行了无侧向耗能支撑和有侧向耗能支撑两种结构体系的动力特性试验和地震模拟振动台试验,获取了两种结构体系的动力特性(自振频率、阻尼比、空间振型)和在分别输入El-Centro波(1940,N-S)、天津波、武汉人工波时结构的地震反应(位移、加速度及应力)。结果表明,方形钢管混凝土空间框架体系的承载力较高,延性和耗能性能好,可以满足抗震设防要求:有侧向耗能支撑框架的自振频率高于无侧向耗能支撑框架的,侧向耗能支撑可以有效提高结构的整体刚度;地震作用下有侧向耗能支撑框架的位移和应力均比无侧向耗能支撑框架结构的小,加速度变化也相对平缓,侧向支撑可以减小结构在该平面内的位移和变形,增强结构整体刚度和稳定性;在同一地震烈度下,方形钢管混凝土结构在不同地震波作用下的地震反应有所不同。 在二次开发的基础上,运用ANSYS建立试验模型的三维有限元模型,进行动力特性分析,并计算输入El-Centro波(1940,N-S)时无支撑框架体系的地震反应。试验实测值与有限元计算结果能较好吻合,表明基于分离模量理论的建模方法和所选取的材料本构关系是合理的。 为深入研究方形钢管混凝土框架结构的抗震性能,利用有限元方法对钢筋混凝土框架与方形钢管混凝土框架进行对比分析。结果表明,方形钢管混凝土框架