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    作者:楚秀娟

    安全学科的研究对象是事故,研究目的是预防故事的发生和控制事故后的损失。本书主要研究钢筋混凝土结构高层建筑中短柱的抗震能力,由此得到抗侧移能力强,承载能力高、可实现“大震不倒、中震可修”目的的钢筋混凝土带芯分体柱的模型及其基本计算参数、构造理论和设计方法,为预防高层建筑底部短柱在地震作用下发生脆性破坏,同时为减小柱的截面面积提供设计依据。所以,本书研究对象属安全学科范畴。
    本书介绍了地震造成的破坏特点并举例说明其危害性,阐述了在地震作用下研究高层建筑钢筋混凝土结构带芯分体柱及其计算机模拟技术的必要性。传统钢筋混凝土高层建筑随着建筑层数的增加,竖向荷载加大,因受轴压比限制而使得底部几层柱的截面加大,造剪跨比小、延性差,由此而易发生剪切破坏和小偏心受压破坏的短柱甚至超短柱。这两类破坏形式都是脆性破坏,是没有预兆的突发性破坏。建筑物抗震性能主要取决于结构物吸收地震能量的能力,它等于结构承载力与变形能力的乘积,即结构抗震能力是由其承载力和变形能力共同决定的。
    短柱的脆性破坏和延性不足是钢筋混凝土框架结构地震及风灾作用下造成结构破坏甚至倒塌的主要原因。正确判断和处理短柱、超短柱是结构抗震设计过程中必须面对的主要问题。为提高承载能力和变形能力,在钢筋混凝土短柱内加入芯部钢筋并结合分体柱技术,形成钢筋混凝土带芯分体柱,将核心柱的高轴压比和分体柱的大剪跨比特点结合起来,直接变短柱为“长”柱, 提高了延性、承载能力,同时也减小了柱截面面积,破坏形式由剪切型变为弯曲型,从而消除短柱、改善短柱的抗震性能,实现结构的抗震安全性的目的。工程结构在地震时遭受破坏是造成人员伤亡和财产损失的主要原因,其破坏程度与结构类型和抗震措施等有关。
    本书研究钢筋混凝土带芯分体柱在压、弯、剪及地震作用下的承载能力,对提高高层建筑底部短柱竖向承载力、侧向变形能力和地震作用下的延性能力具有重要意义。结合钢筋混凝土带芯柱的强抗压性能(高轴压比)和钢筋混凝土分体柱的大侧移能力(减小的侧移刚度),提出了具有二者各自优点的钢筋混凝土带芯分体柱,采用理论推导和数值模拟的方法对钢筋混凝土带芯分体柱在压、弯、剪及地震作用下的承载能力进行了较为系统的研究。运用材料力学、理论力学、弹塑性力学、钢筋混凝土结构学等相关理论,用理论推导和数值模拟的方法对钢筋混凝土带芯分体柱在轴心受压、偏心受压、剪切及地震作用下的承载能力进行了较为系统的研究,并推导出轴压、偏压、剪切承载力计算表达式,限定了使用条件。以此为基础,运用大型通用有限元ANSYS/LS-DYNA显示动力分析软件,建立了钢筋混凝土带芯分体柱承载能力计算模型,对轴压、偏压、剪切及地震作用下的钢筋混凝土带芯分体柱进行了模拟计算,通过分析计算结果与理论计算结果相比较,对计算公式的正确性和适用性进行验证,得出钢筋混凝土带芯分体柱同时具有分体柱和带芯柱各自的优点。在此基础上,提出了设计建议。
    本书通过理论分析和数值模拟,主要得出以下结论:
    (1)钢筋混凝土带芯分体柱具有钢筋混凝土带芯柱的强抗压能力,结构面积小。由于柱芯钢筋参与受力,对钢筋混凝土带芯柱的轴压力提供一个增量,使得钢筋混凝土带芯分体柱可以承担更大的竖向荷载。因此,钢筋混凝土带芯柱在同等竖向承载力的情况下,相较其他柱体可以减小柱截面面积,增大房屋使用面积,减小混凝土用量,具有一定的经济效果。该增量与芯部钢筋及混凝土的材料系数、芯部配筋量、面积特征系数等有关。
    (2)钢筋混凝土带芯分体柱延性好。该柱中普通配箍率的提高和芯部箍筋的设置能够改善钢筋混凝土带芯分柱体的抗震性能,即使在轴压比很高时,配箍率对构件抗震性能——延性也有所提高作用。因此,为防止斜裂缝的出现及提高带芯分体柱的塑性转动能力,在带芯分柱体中采用较高配箍率是必要的。
    (3)带芯分柱体的抗弯承载力低于整截面柱的抗弯承载力。由于柱体中间设缝,抗弯刚度削弱,使其抗弯承载力低于整截面柱的抗弯承载力;但由于隔板的摩擦作用,其值略高于四个独立小柱的受弯承载力之和。本书取等于四个独立小柱的受弯承载力之和作为钢筋混凝土带芯分体柱的抗弯承载力。
    (4)带芯分柱体的截面承载力可以简化地按四个独立小柱之和计算。本书给出了钢筋混凝土带芯分体柱轴心受压、偏心受压及受剪承载力计算公式,分别用四个独立小柱的轴心受压、偏心受压及受剪承载力之和作为钢筋混凝土带芯分体柱的轴心受压、偏心受压及受剪承载力。
    (5)柱上下端整截面过渡区的设置是必要的。过渡区对分柱体受力性能的影响不大,但对防止竖向分缝开展过早进入节点区起到保护作用。
    (6)钢筋混凝土带芯分体柱的轴压比提高。由于柱芯钢筋参与受力,对钢筋混凝土带芯柱的轴压力提供一个增量,使得钢筋混凝土带芯分体柱可以承担更大的竖向荷载,可以用各小柱面积之和来控制,与整体柱轴压比定义相同。
    (7)钢筋混凝土带芯分体柱有一定的适用范围。钢筋混凝土带芯分柱体适用于设防烈度为Ⅶ~Ⅺ度的框架,框架一剪力墙以及框支结构中剪跨比λ≤15的短柱。钢筋混凝土带芯分体柱框架在满足《混凝土结构设计规范》《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的设计计算要求和带芯分柱体单体模拟试验所得设计建议后,能够使原来的短柱框架达到延性框架的要求。
    (8)模拟计算验证了前面理论推导所得公式的正确性。通过模拟计算发现,钢筋混凝土带芯分柱的芯部箍筋迟于普通箍筋进入工作状态,芯部纵筋只是在轴心受压时才有可能进入屈服状态。
    得到主要创新点如下:
    (1)提出钢筋混凝土带芯分体柱的概念,并设计了在理论分析和数值模拟验证下得出相应的正截面轴心受压、偏心受压、斜截面受剪的承载力计算公式。
    (2)运用ANSYS结构分析软件对提出的结构模型进行了轴压、弯压、剪切、压弯剪共同作用及地震作用下的数值模拟计算,验证了推导出的钢筋混凝土带芯分体柱的承载力计算公式。
    (3)给出了钢筋混凝土带芯分体柱的轴压比计算公式,并给出了界限破坏时芯部钢筋的配筋率。
    本书还需要进行以下研究:
    (1)由于要对本书研究的对象进行实验室试验和现实工程应用实践需要大量资金和大面积场地,同时需要一定量的人力、物力,尤其是需要先进的试验检测设备,受条件所限没有进行实验室试验。但毕竟实验室试验和现实工程应用实践是目前验证理论研究的重要手段之一,因而本书还需要进行进一步的实验验证和现实工程应用实践。
    (2)本书研究主要是在前人研究经验和成果的基础上根据现行规范和有关标准进行的理论推导,目前规范中的有些缺陷也在书中有所体现。例如:“大震不倒”、“中震可修”并没有明确的标准。随着其他有关研究成果的发展和相关标准、规范的进一步细化,本研究会有更进一步的发展。
    (3)轴压比的提高使得钢筋混凝土带芯分体柱在高轴压比状态下仍然具有很好的延性,实现延性框架,改变短柱的破坏形态,使短柱由剪切型破坏转化为弯曲型破坏,抗震能力显著提高。但轴压比公式稍显复杂,不便于快速手算。
    (4)芯柱使得钢筋混凝土带芯分体柱的竖向承载力、轴压比提高,在满足承载力的情况下可以减小柱截面积,减少混凝土用量,增大使用面积,节约投资,但没有建立剪跨比的加大对承载力提高和侧移能力加大的直接关系式。
    (5)结合带芯柱的强抗压能力和分体柱的强侧移能力于一体,实现变短柱的脆性剪切破坏为长柱的延性弯剪破坏,但界限破坏时芯部钢筋只有一小部分参与受力,此时芯部钢筋的利用率不高。

图书分类

Book classification
  1. 本书是普通高等教育土建类专业力学课程用书。 本书对传统静力学、材料力学和结构力学的经典内容进行了精选和重组,在注重力学知识学以致用、讲究力学知识阐述符合学生学习行为的基础上,力求使力学知识贴近工程常规设计和应用的思路,并有助于学生智力和能力的增强。全书文字表述精炼严谨,深入浅出,论据鲜明,重点突出。另外,为扩大学生力学知识面,提高学生学习力学的兴趣,每章之后还选编了一些辅助阅读材料。
  2. 本书系普通高等教育土建学科专业“十三五”规划教材,是适应21世纪高等教育课程内容改革,培养学生在工程中认识、应用力学知识,并提高分析、解决问题能力的教学用书。本书在编写过程中力求基本概念、基本原理的表述准确严谨,深入浅出,启发思维,重点突出。全书在内容的安排和选取上,重视形成教材的知识结构,以利于学生智力的提升和能力的强化。本书在编写时,广泛吸取了编者们多年来从事建筑工程力学的教学实践经验和教学研究成果,并对经典内容予以整合、精选、贯通、重组,使静力学、材料力学和结构力学在知识体系上有机地融为一体,从而优化了教学时效,加强了课程与实际的密切联系。
    本书设计的内容和知识结构,突出针对性、适用性和实用性,立足于工程技术人才的培养目标,以有助学生多种能力的培养。本书通过对综合物体的受力分析、力系的简化与物体的平衡,集中了各基本变形的内力、变形和位移分析,再结合体系的几何组成分析与构件的失效规律,最终给出强度、刚度和稳定性计算方法,使学生建立起工程常规设计的思路。本书注重知识的启发性、趣味性和实用性,在每一章后面附有课外辅助学习材料,用以扩充学生力学知识面,增加学生学习力学的兴趣。
    参加本书编写工作及其分工的是成都纺织高等专科学校尹析明(绪论、第五章、第六章),成都师范学院物理与工程技术学院肖荦彪(第三章、第十一章、第十二章),四川省城市职业学院刘洋(第四章),成都纺织高等专科学校赵春玲(第一章、第二章、第七章、
    第八章),成都纺织高等专科学校高汉君(第九章),成都农业科技职业学院杨静深(第十章),成都纺织高等专科学校孙作凤(第十三章)。全书编写工作的策划与统稿由赵春玲负责。
    本书由尹析明、赵春玲担任主编,肖荦彪、高汉君、刘洋、杨静深、孙作凤担任副主编。
    成都航空职业技术学院穆能伶担任本书的主审,在对全书反复认真、仔细审阅修订的基础上,保证了书本知识的严谨与实用,这对本书的定稿起到了很重要的作用,在此谨表示诚挚而衷心的感谢。
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  1. 绪  论 1
    思考题 4
    [辅助学习材料]  中国古建筑的木结构及其结点联结 5
    第一章  静力学的基本概念与物体的受力分析 6
    第一节  静力学基本概念 6
    第二节  静力学基本公理 11
    第三节  物体的联结方式理想化 14
    第四节  物体的受力分析 17
    思考题 19
    习  题 21
    [辅助学习材料]  力学大事年表 23
    第二章  力系的简化与力系的平衡 25
    第一节  力系简化与平衡的解析法基础 25
    第二节  平面一般力系的简化 29
    第三节  平面一般力系的平衡方程 32
    第四节  平面一般力系平衡方程的应用 33
    第五节  空间一般力系的简化及其平衡方程的应用 40
    思考题 45
    习  题 47
    [辅助学习材料]  重心及形心 53
    第三章  平面结构体系的几何组成分析 55
    第一节  平面结构体系几何组成分析的几个重要概念 55
    第二节  平面几何不变体系的几何组成规则 59
    第三节  平面结构体系的几何组成分析示例 61
    思考题 64
    习  题 65
    [辅助学习材料]  钞票上的力学巨匠 66
    第四章  静定结构杆件的内力分析 68
    第一节  弹性体及其理想化 68
    第二节  直杆轴向拉伸或压缩时的轴力 70
    第三节  静定平面桁架各杆件的轴力 73
    第四节  圆轴扭转时的扭矩 79
    第五节  直梁弯曲时的剪力和弯矩 81
    第六节  直梁剪力图和弯矩图的简捷画法 89
    第七节  多跨静定梁与静定平面刚架的内力 93
    第八节  斜梁与三铰拱的内力 97
    思考题 103
    习  题 105
    [辅助学习材料]  郑玄-胡克定律 112
    第五章  杆件的应力计算与强度设计准则 113
    第一节  应力、应变及其相互关系 113
    第二节  直杆轴向拉伸或压缩时的正应力 115
    第三节  圆轴扭转时的切应力 118
    第四节  直梁弯曲时的正应力与切应力 121
    第五节  应力状态分析 129
    第六节  材料在轴向载荷作用下的力学行为 134
    第七节  杆件的强度设计准则 139
    思考题 142
    习  题 144
    [辅助学习材料]  杰出的力学家与力学教育家铁木辛柯 147
    第六章  杆件的强度设计 148
    第一节  直杆轴向拉伸或压缩时的强度计算 148
    第二节  圆轴扭转时的强度计算 152
    第三节  直梁弯曲时的强度计算 154
    第四节  联结件剪切与挤压时的强度计算 159
    第五节  杆件组合变形时的强度计算 164
    思考题 170
    习  题 172
    [辅助学习材料]  双切应力强度理论 177
    第七章  杆件的刚度设计 178
    第一节  直杆轴向拉伸或压缩时的刚度计算 178
    第二节  圆轴扭转时的刚度计算 181
    第三节  直梁弯曲时的刚度计算 182
    第四节  杆件承载能力提高的方法 188
    思考题 192
    习  题 194
    [辅助学习材料]  国际土木工程历史上的里程碑 198
    第八章  压杆的稳定性设计 199
    第一节  压杆的稳定性概念 199
    第二节  两端铰支细长压杆的临界力 201
    第三节  压杆的临界应力与欧拉公式的适用范围 203
    第四节  压杆的稳定性计算 208
    第五节  提高压杆稳定性的措施 211
    思考题 213
    习  题 215
    [辅助学习材料]  压杆稳定与实际工程结构的关联 217
    第九章  静定结构的位移计算 218
    第一节  结构位移计算的基本概念 218
    第二节  结构位移计算的一般公式 220
    第三节  静定结构在载荷作用下的位移计算 223
    第四节  图乘法计算位移 226
    第五节  静定结构在支座移动、温度改变时的位移计算 231
    第六节  互等定理 234
    思考题 237
    习  题 238
    [辅助学习材料]  计算梁变形的方法知多少 240
    第十章  力  法 242
    第一节  力法基本原理 242
    第二节  结构超静定次数的确定 246
    第三节  力法典型方程 249
    第四节  力法计算超静定结构示例 250
    第五节  等截面单跨超静定梁的杆端内力计算 254
    思考题 260
    习  题 260
    [辅助学习材料]  力学趣闻集锦 262
    第十一章  位移法 263
    第一节  位移法基本原理 263
    第二节  位移法基本未知量数目的确定 265
    第三节  位移法典型方程 267
    第四节  位移法计算超静定结构示例 271
    思考题 273
    习  题 274
    [辅助学习材料]  “千钧一发”的力学量化 276
    第十二章  力矩分配法 277
    第一节  力矩分配法基本原理 277
    第二节  用力矩分配法计算连续梁 281
    第三节  用力矩分配法计算无结点线位移刚架 287
    第四节  计算超静定结构的其他渐进法简介 288
    思考题 290
    习  题 290
    [辅助学习材料]  混凝土的发展与力学 291
    第十三章  结构的影响线与梁的内力包络图 293
    第一节  影响线的概念 293
    第二节  用静力法作简支梁的影响线 294
    第三节  影响线的应用 299
    第四节  梁的内力包络图 303
    思考题 307
    习  题 308
    [辅助学习材料]  来自身边的影响线的最直接应用 310
    尾声  力学教本图文编撰的严谨与规范 311
    参考文献 317
    附录A  常见截面几何性质 318
    附录B  型钢表 320
    ...查看更多

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