钢筋混凝土—钢框架不规则混合结构加固和抗震性能研究

发布时间：2020-07-14 22:06

【摘要】：考虑到水平向场地空间的限制,在既有结构顶部加层是扩建改造工程常用的方法之一。既有结构体系多为钢筋混凝土(Reinforced Concrete)框架结构,新增结构层则常采用施工方便、质量相对较轻的钢框架结构,因此,就形成了底部为RC框架,顶部为钢框架的RC-钢框架竖向不规则混合结构。该结构体系力学计算模型复杂,内力传递路径不清晰,依靠传统设计和分析方法不能满足基于性能设计思想。本文围绕火力发电厂机组脱硝改造工程,基于构件层面、结构层面以及构件层面和结构层面相结合的方式对既有RC框架进行加固,根据结构特征提出适用于竖向不规则结构的抗震性能分析方法,建立不同加固方式下不规则混合结构数值分析模型并开展抗震性能分析,根据结构地震响应参数系统地研究不同加固方法引起的竖向不规则程度对结构整体抗震性能的影响,为RC-钢框架不规则混合结构的加固设计和抗震性能分析奠定坚实的理论基础。研究工作的主要内容如下:(1)外包钢加固钢筋混凝土梁承载力和破坏模式研究。采用有限元软件ABAQUS建立与文献试验对应的有限元模型,验证材料本构模型、软件参数取值以及有限元分析结果的可靠性。利用建议的材料本构模型和软件参数取值分别建立采用外包钢加固的RC简支梁和框架梁有限元分析模型,系统地研究外包钢加固后RC简支梁和框架梁的极限承载力和破坏模式,分析缀板间距对外包钢加固效果的影响以及缀板抗剪强度折减系数的取值依据。(2)结构层面加固后RC框架抗震性能试验研究。设计制作采用强钢支撑(X型和倒V型)、弱钢支撑(X型和倒V型)和混凝土剪力墙加固的RC框架试件,并对试件开展低周反复荷载试验。通过ABAQUS软件建立试件的数值分析模型,并进行有限元分析。研究加固RC框架试件的水平极限承载力、初始抗侧刚度、滞回耗能能力、刚度退化和试件破坏特征等,对比分析不同加固方式对RC框架抗震性能的影响,探究采用强钢支撑加固RC框架结构的合理设计方法。(3)竖向不规则混合结构静力非线性分析方法研究。对静力非线性分析方法在竖向不规则结构抗震性能评估中的适用性进行研究,基于结构动力特性提出一种适用于竖向不规则结构静力非线性分析的侧向力分布形式。通过改变框架结构强度和刚度形成6个具有不同竖向不规则程度的混合结构,采用结构分析软件Perform-3D分别建立不规则混合结构模型,并对结构模型开展多种侧向力分布形式的静力非线性分析,与动力时程分析结果对比验证基于多振型侧向力分布形式的准确性。根据静力非线性分析得到的结构塑性铰开展规律和分布特征,探究竖向不规则程度对混合结构抗震性能的影响。(4)RC-钢框架不规则混合结构加固和静力非线性分析。根据构件层面和结构层面加固方法,结合实际火力发电厂改造工程中的RC-钢框架不规则混合结构,提出多个RC框架加固方案;通过Perform-3D软件建立采用不同方式加固的混合结构模型并开展静力非线性分析,得到混合结构模型的基底剪力—顶点侧移推覆曲线。通过对比分析结构模型的极限承载力、初始抗侧刚度、构件剪力分配、塑性铰开展顺序和分布特征等结构响应,评估不同加固方式下不规则混合结构的抗震性能。(5)RC-钢框架不规则混合结构动力时程分析。基于地震烈度和场地土类型选取合适数量地震波记录,对地震波进行调整使其满足不同地震强度等级的抗震分析需求;采用调整后的地震波对结构模型开展动力时程分析;通过层间能力系数对不同加固形式下RC-钢框架混合结构刚度和强度的竖向不规则分布特征进行初步分析;根据弹性反应谱计算得到结构模型顶点侧移和层间侧移角,并与动力时程分析结果进行对比,研究经验公式对竖向不规则结构变形计算的适用性;系统地开展不规则混合结构地震响应参数研究,对比分析采用不同方式加固的不规则混合结构抗震性能水平。(6)竖向不规则混合结构耗能分布和塑性损伤研究。对具有不同不规则程度的混合结构模型开展多级地震水平作用的动力时程分析,根据地震输入总能量和耗能分布特征研究累积滞回耗能对于不规则混合结构抗震性能的评估作用;基于改进的ParkAng双参数损伤模型对不同地震水平作用下不规则混合结构的塑性损伤进行计算分析,研究刚度和强度的改变对混合结构整体损伤指数和层损伤指数分布的影响,揭示耗能损伤和变形损伤受地震强度等级和结构不规则程度的影响规律,为研究采用累积滞回耗能和损伤指数评估不规则混合结构抗震性能奠定基础。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.11;TU398.9
【图文】：

我国采用加层方法进行改造的实际工程不断增多，２０世纪９０年代多为对住宅或逡逑办公建筑进行加层改造的工程，如西安航煤宾馆在３层砖混结构上新增３层ＲＣ框架逡逑［Ｍ６］，北京纺织工业部办公大楼在３层砖混结构上增加２层框剪结构【１－１７］，北京日报逡逑社综合业务楼在原有５层砖混结构上新增３层钢框架等。近年来，除民用建筑的逡逑加层改造工程外［１＿１９１，应国家和地方环保法规的要求，多数火力发电厂面临着发电机逡逑组脱硝改造引起的结构扩建加固问题［Ｎ２Ｇ】。逡逑火力发电是我国电力工业的主要经济手段，根据中国电力企业联合会发布的《全逡逑国电力工业统计数据一览表》［１＿２｜］所示数据显示，近十年来我国总发电量呈稳定增长逡逑趋势，如图１．３所示，其中火电发电量占比７０％以上，火电发电中燃煤发电量占比达逡逑到９０％以上。由石油、煤炭、天然气等化石燃料燃烧形成的氮氧化物（包括ＮＯ、Ｎ０２逡逑等）排放量占大气污染物排放总量的９０％以上，其中６７％氮氧化物直接来源于煤炭燃逡逑烧？２２］。氮氧化物不仅会导致酸雨、臭氧层破坏、温室效应等问题，还会引起土质和逡逑水质恶化，造成更加严重的环境污染，极大地危害了人类健康，因此对火力发电厂进逡逑

框架不规则混合结构。国内较多火力发电厂均采用在既有ＲＣ框架结构上新增钢框架逡逑的扩建方式完成脱硝改造，如温州电厂３？６号机组、舟山电厂３号机组、江油电厂３逡逑号和４号机组等，电厂的厂房结构如图１．４所示。逡逑６０００邋－逦霸逡逑ｉＭｕｊ逡逑２００８邋２００９邋２０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３邋２０１４邋２０１５邋２０１６邋２０１７逡逑年份／年逡逑图１．３邋２００８－２０１７年全国总发电量逡逑Ｉ邋呡１逡逑ｍｉｗｔ逡逑（ａ）温州电厂３号机组逦（ｂ）江油电厂３号机组逡逑图１．４火力发电厂房结构现场图逡逑ＲＣ－钢框架混合结构的竖向不规则分布主要由两方面引起：（１）新增钢框架和既有逡逑ＲＣ框架建筑材料、结构形式等差异导致上下两种框架结构存在质量、刚度和强度的逡逑不规则分布；（２）既有ＲＣ框架在前期服役过程中刚度和强度发生退化，其承载力和变逡逑形能力不能满足抗震规范要求，为保证改造后混合结构的正常工作，需对ＲＣ框架进逡逑４逦钢筋混凝土－钢框架不规则混合结构加固和抗震性能研究逡逑

框架不规则混合结构。国内较多火力发电厂均采用在既有ＲＣ框架结构上新增钢框架逡逑的扩建方式完成脱硝改造，如温州电厂３？６号机组、舟山电厂３号机组、江油电厂３逡逑号和４号机组等，电厂的厂房结构如图１．４所示。逡逑６０００邋－逦霸逡逑ｉＭｕｊ逡逑２００８邋２００９邋２０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３邋２０１４邋２０１５邋２０１６邋２０１７逡逑年份／年逡逑图１．３邋２００８－２０１７年全国总发电量逡逑Ｉ邋呡１逡逑ｍｉｗｔ逡逑（ａ）温州电厂３号机组逦（ｂ）江油电厂３号机组逡逑图１．４火力发电厂房结构现场图逡逑ＲＣ－钢框架混合结构的竖向不规则分布主要由两方面引起：（１）新增钢框架和既有逡逑ＲＣ框架建筑材料、结构形式等差异导致上下两种框架结构存在质量、刚度和强度的逡逑不规则分布；（２）既有ＲＣ框架在前期服役过程中刚度和强度发生退化，其承载力和变逡逑形能力不能满足抗震规范要求，为保证改造后混合结构的正常工作，需对ＲＣ框架进逡逑４逦钢筋混凝土－钢框架不规则混合结构加固和抗震性能研究逡逑

本文编号：2755550