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        大型單列式主廠房鋼骨混凝土邊節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

        2014-10-21 07:20:30劉元文魏文飛
        土木工程與管理學(xué)報 2014年2期
        關(guān)鍵詞:梁端鋼梁型鋼

        劉元文,魏文飛,甘 來

        (1.武漢工大建筑工程公司,湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學(xué) 道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070)

        在以往的大型工業(yè)建筑中,常常采用多列式主廠房的結(jié)構(gòu)布置形式。這種結(jié)構(gòu)布置形式一方面增大了廠房的橫向剛度,減小了柱截面的尺寸,并給予工藝和設(shè)備更多的使用空間;另一方面也能節(jié)約材料和減輕自重,使得多列式尤其是兩列式主廠房結(jié)構(gòu)在以往的工業(yè)建筑中得到廣泛應(yīng)用。但是,由于多列式廠房需要考慮采光和通風(fēng)問題,結(jié)構(gòu)布置相比單列式廠房復(fù)雜得多,給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很大的困難。因此,越來越多的兩列式大型廠房開始改為單列式主廠房的結(jié)構(gòu)布置形式。由于兩列式大型廠房高度和跨度通常較大,使得改變后的單列式主廠房鋼筋混凝土柱截面尺寸較大,常常不能滿足工藝要求,在這種情況下,采用鋼骨混凝土柱-鋼梁屋面結(jié)構(gòu)體系可以很好的解決這個問題。

        近些年來,越來越多的單列式主廠房已經(jīng)采用了鋼骨混凝土柱-鋼梁屋面結(jié)構(gòu)體系,并且,為了便于施工以及工藝的要求,頂層節(jié)點(diǎn)常設(shè)計成梁貫通的連接形式。但在實(shí)際工程設(shè)計中,由于結(jié)構(gòu)的屋面鋼梁截面高度較大,頂層邊節(jié)點(diǎn)的梁柱型鋼截面彎矩承載力比超過了相關(guān)規(guī)范[1]承載力公式的應(yīng)用范圍,而且由于鋼梁的影響,節(jié)點(diǎn)區(qū)也容易出現(xiàn)承壓破壞的情況。因此,需針對此情況對此類結(jié)構(gòu)的頂層邊節(jié)點(diǎn)做進(jìn)一步的抗震性能研究。目前國內(nèi)外對鋼骨混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能做了不少研究工作,并取得了大量的研究成果[2~5],很多國家和地區(qū)都制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和規(guī)程[6,7]。但對于此類屋面鋼梁截面尺寸比較大的節(jié)點(diǎn)還缺乏研究,相關(guān)規(guī)范[1]中也缺乏對其節(jié)點(diǎn)承載力的計算方法。因此,本文以某一實(shí)際工程中的大型單列式汽機(jī)機(jī)房為研究對象,選取其頂層邊節(jié)點(diǎn)制作縮尺模型,并進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬分析,以研究節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、承載能力和耗能能力。

        1 工程背景

        本文的工程背景為某一大型鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)單列式汽機(jī)廠房,根據(jù)工藝需要,廠房設(shè)計成三層框架,結(jié)構(gòu)形式如圖1所示(圖中標(biāo)高單位為m,其余尺寸單位為mm)。本文研究對象為頂層邊節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)為鋼骨混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)。根據(jù)前期整體結(jié)構(gòu)的彈塑性分析結(jié)果和梁柱構(gòu)件截面優(yōu)選設(shè)計,最終確定鋼骨混凝土柱(1-1剖面)截面尺寸為700 mm×700 mm,混凝土采用C40,型鋼采用H型鋼,截面為500 mm×400 mm×12 mm×22 mm,縱筋配置為12 25,箍筋配置采用 14@100;屋面梁(2-2剖面)采用H型鋼,截面為1800 mm×700 mm×20 mm×40 mm,型鋼材料為Q345。為了施工方便和工藝要求,節(jié)點(diǎn)設(shè)計成鋼梁貫通的連接形式。

        圖1 廠房橫向框架

        2 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)邊節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

        2.1 試驗(yàn)?zāi)P凸?jié)點(diǎn)設(shè)計

        根據(jù)原結(jié)構(gòu)尺寸和武漢理工大學(xué)工程結(jié)構(gòu)振動研究中心試驗(yàn)設(shè)備條件,本文試驗(yàn)確定為1∶3縮尺模型試驗(yàn)。在試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計中,為避免試驗(yàn)中的偶然性,并使試驗(yàn)結(jié)果更具說服力,混凝土的強(qiáng)度和鋼筋等級與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)相同?;炷恋膹?qiáng)度等級為C40,縱筋采用直徑為14 mm的HRB400級鋼筋,箍筋采用直徑為8 mm的HPB300級鋼筋。節(jié)點(diǎn)內(nèi)的型鋼、箍筋和縱筋根據(jù)相似理論強(qiáng)度等效的原則進(jìn)行設(shè)計。本次試驗(yàn)共制作了兩個相同的節(jié)點(diǎn)試件(SRCJD1和SRCJD2)。節(jié)點(diǎn)設(shè)計為與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)相同的梁貫通連接形式,即節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼梁貫通,柱內(nèi)型鋼通過焊接方式與鋼梁的上下翼緣處連接。節(jié)點(diǎn)試件模型尺寸和配筋如圖2所示,節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)P徒孛嫘畔⒁姳?。

        圖2 節(jié)點(diǎn)試件模型尺寸和配筋/mm

        表1 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)P徒孛嫘畔?/p>

        2.2 試驗(yàn)材料性能

        根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50204-2002《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》[8]中關(guān)于混凝土材料性能試驗(yàn)的要求,本試驗(yàn)在澆筑節(jié)點(diǎn)試件的同時,還澆筑了3個150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方體試塊,并和節(jié)點(diǎn)試件在同等條件下養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)完成后,對混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?;炷恋牟牧闲阅茉囼?yàn)結(jié)果如表2所示。

        表2 混凝土材料性能試驗(yàn)結(jié)果

        鋼材的材料性能試驗(yàn)一般選擇鋼材的單向拉伸試驗(yàn),可以測定鋼材在單向受拉狀態(tài)下的彈性模量、屈服應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能。在本次試驗(yàn)中,選擇與柱內(nèi)型鋼和鋼梁同一批次的鋼材制作板狀試樣,每一種試樣共制作3個。拉伸試驗(yàn)在拉力機(jī)上進(jìn)行,對鋼材板狀試驗(yàn)測得的結(jié)果如表3所示,對鋼筋試樣測得的結(jié)果如表4所示。

        表3 鋼材材性試驗(yàn)結(jié)果

        表4 鋼筋材性試驗(yàn)結(jié)果

        2.3 試驗(yàn)方案

        本次節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)采用擬靜力加載,整個試驗(yàn)過程在武漢理工大學(xué)工程結(jié)構(gòu)振動研究中心進(jìn)行。柱端荷載由250 kN電液伺服作動器施加,作動器的行程為200 mm。梁端荷載由500 kN電液伺服作動器施加,作動器的行程為200 mm。加載裝置如圖3所示,多軸液壓伺服加載系統(tǒng)如圖4所示。

        圖3 試驗(yàn)加載裝置

        圖4 試驗(yàn)?zāi)P秃图虞d設(shè)備

        本次試驗(yàn)采用單調(diào)遞增循環(huán)加載方式進(jìn)行加載。首先,由柱頂作動器在柱頂加載1 kN,觀察節(jié)點(diǎn)的安裝情況是否達(dá)到試驗(yàn)要求。然后,由柱頂作動器緩緩加載到110 kN。在柱頂加載的過程中,要注意梁端加載點(diǎn)作動器的情況,保證柱的軸向變形對梁不產(chǎn)生明顯的初始內(nèi)力。在柱頂作動器加載完成后保持荷載恒定,待節(jié)點(diǎn)試件穩(wěn)定后進(jìn)行梁端加載點(diǎn)的作動器加載。梁端加載點(diǎn)的加載可以按照J(rèn)GJ 101-96《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》[9]中荷載和位移混合控制的制度,如圖5所示。JGJ 101-96《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》規(guī)定試件在屈服之前,采用荷載控制的方式進(jìn)行分級加載。待試件接近屈服時,改用位移控制的加載方式。屈服后的加載以屈服時的位移為加載位移,以后加載的位移均為屈服位移的整數(shù)倍。為了避免錯過試驗(yàn)中細(xì)節(jié),每級位移加載下需往復(fù)循環(huán)3次。

        圖5 梁端加載制度

        2.4 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞過程

        試驗(yàn)表明節(jié)點(diǎn)試件的破壞形式為承壓破壞。受力過程大致分四個階段:初裂階段、通裂階段、極限階段和破壞階段。

        (1)初裂階段:節(jié)點(diǎn)在受壓時,在節(jié)點(diǎn)區(qū)的下方,柱的背面出現(xiàn)了幾條微小的水平裂縫。當(dāng)梁端荷載加載到140 kN時,節(jié)點(diǎn)區(qū)下方的柱背面明顯出現(xiàn)了三條貫穿整個面的水平裂縫,位置在鋼梁翼緣所在水平面與柱的外側(cè)面相交處。節(jié)點(diǎn)區(qū)柱內(nèi)型鋼腹板和混凝土的剪切變形均為線性變化,節(jié)點(diǎn)基本處于彈性受力階段。

        (2)通裂階段:隨著梁端荷載的增加,節(jié)點(diǎn)區(qū)下部的水平裂縫開始貫穿柱的四個面。節(jié)點(diǎn)區(qū)與鋼梁連接處也出現(xiàn)多條水平裂縫,并且開始朝柱的下部發(fā)展。同時,在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)也開始出現(xiàn)了少量的剪切斜裂縫,當(dāng)梁端荷載加載到270 kN左右,荷載與位移曲線出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn),核心區(qū)鋼柱已局部屈服。

        (3)極限階段:當(dāng)節(jié)點(diǎn)的承載力達(dá)到最大值,進(jìn)入極限階段時,鋼梁上下翼緣與柱邊緣相交處混凝土出現(xiàn)大量開裂,且開始起酥、外鼓和剝落,混凝土與鋼梁下翼緣連接處出現(xiàn)較大的裂縫。

        (4)破壞階段:隨著荷載的循環(huán)次數(shù)不斷增加,節(jié)點(diǎn)下部柱邊緣的混凝土損傷愈益嚴(yán)重,承載力下降,混凝土被壓碎,試件破壞。節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)為承壓破壞。節(jié)點(diǎn)破壞時的照片如圖6所示。

        圖6 試件節(jié)點(diǎn)破壞時裂縫

        2.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        荷載位移滯回曲線是指節(jié)點(diǎn)試件在循環(huán)往復(fù)荷載作用下的荷載位移曲線,也稱為P-Δ曲線或恢復(fù)力曲線。它能夠反映節(jié)點(diǎn)的承載能力、變形能力和剛度退化等多種抗震性能,是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動力反應(yīng)分析時的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線如圖7所示。骨架曲線是滯回曲線中每一級循環(huán)的峰值連接而成的外包絡(luò)曲線,根據(jù)節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線得到的骨架曲線如圖8所示。為考慮滯回環(huán)面積受到的強(qiáng)度和剛度退化的影響,引入等效粘滯阻尼系數(shù)[10]。節(jié)點(diǎn)的等效粘滯阻尼系數(shù)分別為0.16和0.15。滯回環(huán)所包圍的面積,等于在這個循環(huán)中結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量,所以從直觀上看滯回環(huán)飽滿程度反應(yīng)了構(gòu)件消耗能量的能力。從圖7可見:在節(jié)點(diǎn)試件開裂前的加載初期,滯回曲線的包圍面積很小,閉合回路基本上完全重疊。荷載和位移基本上呈線性關(guān)系。在多次荷載往復(fù)作用過程中,節(jié)點(diǎn)試件的剛度退化不明顯,也沒有明顯的殘余變形,滯回曲線的閉合回路較窄,反映此時的節(jié)點(diǎn)試件處于彈性工作階段。隨著加載的進(jìn)一步進(jìn)行,節(jié)點(diǎn)開裂到屈服,滯回曲線的位移值明顯變大。此時滯回環(huán)的面積開始逐漸增大,節(jié)點(diǎn)試件的剛度退化現(xiàn)象也越來越明顯,說明此時的節(jié)點(diǎn)試件已完全進(jìn)入彈塑性工作階段。后面的加載過程中,在同一位移幅值下的三次加載,可以明顯的看到后面兩次循環(huán)加載的荷載值較前面一次要低,這說明節(jié)點(diǎn)試件存在強(qiáng)度退化的現(xiàn)象。后面的幾次加載,其滯回環(huán)所包圍的面積也越來越小,表明了節(jié)點(diǎn)試件抗震性能即耗能能力的下降。多次往復(fù)加載已經(jīng)對節(jié)點(diǎn)造成了明顯的累積損傷。

        圖7 試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)荷載-位移滯回曲線

        圖8 試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)梁端骨架曲線

        節(jié)點(diǎn)各階段梁端荷載及相應(yīng)位移如表5所示。表5中,P為各階段對應(yīng)的梁端加載點(diǎn)荷載,梁端加載點(diǎn)到柱中心軸線的距離為1 m,M為各階段由梁端加載點(diǎn)荷載計算出的節(jié)點(diǎn)所受的梁端彎矩,Δ為梁端加載點(diǎn)位移。極限位移為下降到峰值荷載85%時對應(yīng)的梁端位移[11]。

        根據(jù)試驗(yàn)?zāi)P拖嗨评碚摚?2],通過節(jié)點(diǎn)各階段梁端極限彎矩可以推導(dǎo)出實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中頂層邊節(jié)點(diǎn)的等效梁端極限彎矩,為9479 kN·m。在實(shí)際結(jié)構(gòu)的整體地震分析中,罕遇地震作用下最不利荷載組合時,節(jié)點(diǎn)最不利組合對應(yīng)的梁端彎矩為4335 kN·m。通過對比分析可知實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)承載力遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)所受的最大荷載,故節(jié)點(diǎn)具有較大的安全儲備。

        表5 節(jié)點(diǎn)各階段梁端荷載和位移

        為了進(jìn)一步研究節(jié)點(diǎn)的耗能能力,本文用位移延性系數(shù)來表示結(jié)構(gòu)的延性性能。位移延性系數(shù)μ是指結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時的位移Δm(本試驗(yàn)取節(jié)點(diǎn)承載能力下降到極限荷載的85%時的位移)與達(dá)到屈服荷載時對應(yīng)的屈服位移Δv的比值。大量的試驗(yàn)研究表明,普通鋼筋混凝土梁柱組合節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)一般在2左右,而相同情況下的鋼骨混凝土梁柱組合節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)會比普通鋼筋混凝土要高很多,大概在4左右。另外,中間節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)一般要大于邊節(jié)點(diǎn)和端節(jié)點(diǎn),主要是因?yàn)殇摻铄^固粘結(jié)等因素的影響。對本試驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)來說,梁貫通節(jié)點(diǎn)的延性比為3左右,雖然大于普通鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù),但是明顯低于以往鋼骨混凝土節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)。

        3 試驗(yàn)?zāi)P凸?jié)點(diǎn)有限元分析

        為了對比試驗(yàn)的分析結(jié)果和進(jìn)一步的研究節(jié)點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布情況,本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS對節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了數(shù)值分析。已有研究表明,單調(diào)加載時的荷載位移曲線與骨架曲線很接近??紤]到低周期往復(fù)加載數(shù)值模擬的工作量巨大,且容易出現(xiàn)不收斂的情況,故本文僅對節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了在單調(diào)荷載下的有限元分析。本項(xiàng)研究中,節(jié)點(diǎn)采用位移協(xié)調(diào)分離式建模法,這種建模方法分別對鋼筋、型鋼和混凝土單元進(jìn)行建模和劃分網(wǎng)格,有限元模型的幾何尺寸和材料特性與試驗(yàn)?zāi)P鸵恢?,材料屬性采用材性試?yàn)所得到的數(shù)據(jù)。

        3.1 邊界條件與荷載

        本次有限元分析的邊界條件和荷載如圖9所示。分析時首先柱頂施加線性軸向荷載至110 kN,加至110 kN后保持恒定,然后在梁端施加線性位移至25 mm。為了避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象,并且較為實(shí)際地模擬試驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)試件的實(shí)際受力狀態(tài),在有限元模型中各邊界約束處及加載處,均設(shè)置了10 mm厚度的剛性加載塊,而試件的各邊界約束及荷載均施加于剛性塊上。在柱頂和柱底處設(shè)置約束,柱頂截面限制x,y方向的位移,柱底截面限制x,y,z三個方向的位移。

        圖9 施加邊界條件與荷載后的有限元模型

        3.2 網(wǎng)格劃分

        在單元類型的選擇上,由于柱內(nèi)型鋼、鋼梁翼緣和腹板厚度相對于節(jié)點(diǎn)尺寸較小,鋼梁和柱內(nèi)型鋼采用了殼單元S4R,混凝土單元選用八節(jié)點(diǎn)六面體線型減縮積分的三維實(shí)體單元C3D8R,鋼筋采用三維二節(jié)點(diǎn)線性桁架單元T3D2。節(jié)點(diǎn)有限元模型網(wǎng)格劃分如圖10、11所示。

        圖10 節(jié)點(diǎn)模型整體網(wǎng)格劃分

        圖11 型鋼和鋼筋部分網(wǎng)格劃分

        3.3 有限元分析結(jié)果

        在加載初期,結(jié)構(gòu)處于彈性階段;隨著荷載增加,節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)入屈服階段,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)型鋼的上部首先屈服,如圖12所示;隨著荷載的進(jìn)一步增大,節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)入破壞階段,此時節(jié)點(diǎn)區(qū)下部型鋼均已屈服。表明節(jié)點(diǎn)已經(jīng)完全破壞,如圖13所示。有限元模型各階段荷載和位移如表6所示。

        圖12 屈服時型鋼部分應(yīng)力圖

        圖13 破壞時型鋼部分應(yīng)力圖

        表6 有限元模型各階段梁端荷載和位移

        3.4 有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

        節(jié)點(diǎn)試件試驗(yàn)的荷載-位移曲線和有限元分析的荷載-位移曲線如圖14所示,由圖14可知:在加載初期,節(jié)點(diǎn)處于彈性工作階段,此時有限元值和試驗(yàn)值均呈線性增加。有限元分析的曲線斜率略大于試驗(yàn)曲線,但整體比較接近。隨著加載的進(jìn)行,有限元曲線先于試驗(yàn)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),且有限元值一直略大于試驗(yàn)值。在加載的后期,有限元曲線保持水平,試驗(yàn)曲線出現(xiàn)了下降段??傮w來說,有限元分析比較準(zhǔn)確的模擬了試件從彈性階段到彈塑性階段的極限荷載及位移,不能模擬節(jié)點(diǎn)破壞時荷載-位移曲線下降的情況,驗(yàn)證了有限元模型可以滿足要求。而有限元分析中各階段相應(yīng)的位移都略小于試驗(yàn)中所得的位移。這是因?yàn)樵囼?yàn)中的鋼梁強(qiáng)度達(dá)不到有限元分析中所定義的型鋼理想狀態(tài)下的強(qiáng)度,且有限元分析時沒有考慮到型鋼、鋼筋滑移錨固的影響。試驗(yàn)中的節(jié)點(diǎn)邊界和加載均達(dá)不到有限元中的理想狀態(tài),如加載設(shè)備與試件之間空隙的擠緊等,這都會對試驗(yàn)結(jié)果造成影響。節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)分析得到的梁端極限荷載和有限元分析所得的極限荷載對比見表7。由表7中的結(jié)果可知,有限元分析的結(jié)果略大于試驗(yàn)結(jié)果,但兩者非常接近。

        圖14 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)骨架曲線與有限元曲線對比

        表7 梁端極限荷載對比 kN

        4 結(jié)論

        (1)試驗(yàn)鋼骨混凝土柱-鋼梁邊節(jié)點(diǎn)承載力較高,可以滿足試件結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求,但其延性一般,滯回曲線不夠豐滿,有明顯捏縮現(xiàn)象,耗能能力較為一般。

        (2)試驗(yàn)鋼骨混凝土柱-鋼梁組合節(jié)點(diǎn)位移延性系數(shù)為3.07和3.01,低于一般采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn),但高于普通鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)。

        (3)有限元分析的結(jié)果略大于試驗(yàn)結(jié)果,但兩者非常接近。理論和試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢基本一致。

        (4)設(shè)計建議:由于本結(jié)構(gòu)的特殊性,導(dǎo)致強(qiáng)梁弱柱,在實(shí)際工程設(shè)計中,應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)柱剛度和配筋。另外,為避免梁端翼緣的局部失穩(wěn),在節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)柱型鋼翼緣的對應(yīng)位置可加設(shè)加勁肋板。

        [1]JGJ 138-2001,型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

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