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1.内容提要 既有砖混房屋通常会遇到局部大空间改造或需要提升承载能力、抗震性能，钢板砖砌体组合加固技术非常适合此类工程，其通过对拉螺栓、粘结材料将钢板与既有砖砌体形成有效的受力结构构件。为了掌握钢板砖砌体组合加固改造技术的工作性能，笔者对此开展了系统的试验研究，并在实践工程中进行了应用。本书的试验研究内容涉及钢板砖砌体法向粘结强度、钢板砖砌体组合柱（矩形截面）受压性能、组合梁抗弯与抗剪性能、组合墙梁受力性能、组合异形柱受压性能、组合异形柱抗震性能、组合框架抗震性能、嵌筋与钢板加固木框架填充砖墙抗震性能等。本书可供高等院校土木工程专业的高年级本科生、研究生以及从事工程结构加固改造的技术人员或研究人员使用和参考。 2.序 作为社会经济发展的支柱性产业，土木工程是我国提升人居环境、改善交通条件、发展公共事业、扩大生产规模、促进商业发展、提升城市竞争力、开发和改造自然的基础性行业。随着社会的发展和科技的进步，基础设施的规模、功能、造型和相应的建筑技术越来越大型化、复杂化和多样化，对土木工程结构设计理论与建造技术提出了新的挑战。尤其经过三十多年的改革开放和创新发展，在土木工程基础理论、设计方法、建造技术及工程应用方面，均取得了卓越成就，特别是进入21世纪以来，在高层、大跨、超长、重载等建筑结构方面成绩尤其惊人，国家体育场馆、人民日报社新楼以及京沪高铁、东海大桥、港珠澳桥隧工程等高难度项目的建设更把技术革新推到了科研工作的前沿。未来，土木工程领域中仍将有许多课题和难题出现，需要我们探讨和攻克。 另一方面，环境问题特别是气候变异的影响将越来越受到重视，全球性的人口增长以及城镇化建设要求广泛采用可持续发展理念来实现节能减排。在可持续发展的国际大背景下，“高能耗”“短寿命”的行业性弊病成为国内土木界面临的最严峻的问题，土木工程行业的技术进步已成为建设资源节约型、环境友好型社会的迫切需求。以利用预应力技术来实现节能减排为例，预应力的实现是以使用高强高性能材料为基础的，其中，高强预应力钢筋的强度是建筑用普通钢筋的3~4倍以上，而单位能耗只是略有增加；高性能混凝土比普通混凝土的强度高1倍以上甚至更多，而单位能耗相差不大；使用预应力技术，则可以节省混凝土和钢材20％~30％，随着高强钢筋、高强等级混凝土使用比例的增加，碳排放量将相应减少。 东南大学土木工程学科于1923年由时任国立东南大学首任工科主任的茅以升先生等人首倡成立。在茅以升、金宝桢、徐百川、梁治明、刘树勋、丁大钧、方福森、胡乾善、唐念慈、鲍恩湛、蒋永生等著名专家学者为代表的历代东大土木人的不懈努力下，土木工程系迅速壮大。如今，东南大学的土木工程学科以土木工程学院为主，交通学院、材料科学与工程学院以及能源与环境学院参与共同建设，目前拥有4位院士、6位国家千人计划特聘专家和4位国家青年千人计划入选者、7位长江学者和国家杰出青年基金获得者、2位国家级教学名师；科研成果获国家技术发明奖4项，国家科技进步奖20余项，在教育部学位与研究生教育发展中心主持的2012年全国学科评估排名中，土木工程位列全国第三。 近年来，东南大学土木工程学院特别注重青年教师的培养和发展，吸引了一批海外知名大学博士毕业青年才俊的加入，8人入选教育部新世纪优秀人才，8人在35岁前晋升教授或博导，有12位40岁以下年轻教师在近5年内留学海外1年以上。不远的将来，这些青年学者们将会成为我国土木工程行业的中坚力量。 时逢东南大学土木工程学科创建暨土木工程系（学院）成立90周年，东南大学土木工程学院组织出版《东南土木青年教师科研论丛》，将本学院青年教师在工程结构基本理论、新材料、新型结构体系、结构防灾减灾性能、工程管理等方面的最新研究成果及时整理出版。本丛书的出版，得益于东南大学出版社的大力支持，尤其是丁丁编辑的帮助，我们很感谢他们对出版年轻学者学术著作的热心扶持。最后，我们希望本丛书的出版对我国土木工程行业的发展与技术进步起到一定的推动作用，同时，希望丛书的编写者们继续努力，并挑起东大土木未来发展的重担。 东南大学土木工程学院领导让我为本丛书作序，我在《东南土木青年教师科研论丛》中写了上面这些话，算作序。 中国工程院院士： 吕志涛 2013.12.23 3.前言 目前，我国正处于新建与既有建筑物/构筑物加固改造并重的阶段。对于数量并不少的既有砖混结构房屋而言，经常会涉及结构构件的局部加固或大空间改造。钢板砖砌体组合加固改造技术相对其他方法而言具有施工便捷、基本不增加构件尺寸、受力性能可靠等优点。 本书详细、系统地介绍了钢板砖砌体组合加固改造技术，其主要应用于既有砖混房屋的大空间改造，以及砖砌体墙抗震性能提升的加固。全书是笔者耗时整整10年研究成果的总结，内容主要涉及钢板砖砌体组合构件、框架的试验研究与分析工作，并在此基础上提出组合构件的承载力简化计算方法；另外，针对钢板砖砌体组合结构的大空间改造技术给出了应用实例。 全书共分15章，其中主要章节包括：钢板砖砌体组合效果试验初探、钢板砖砌体法向粘结强度、钢板砖砌体组合矩形截面短柱轴心受压性能、钢板砖砌体组合柱受压性能、钢板砖砌体组合梁正截面抗弯性能、钢板砖砌体组合梁抗剪性能、钢板砖砌体组合梁弯剪扭复合受力性能、钢板砖砌体组合墙梁受力性能、钢板砖砌体组合异形柱轴心受压性能、钢板砖砌体组合异形柱偏心受压性能、钢板砖砌体组合异形柱抗震性能、钢板砖砌体组合框架抗震性能、嵌筋与钢板加固木框架填充砖墙抗震性能、钢板砖砌体组合结构构件在工程实践中应用案例。 本书的研究工作离不开笔者所在科研团队的研究生的参与和辛苦付出，他们分别是硕士生石磊、周海涛、吴婷、章钢雷、陈玉立、潘勇、王铮、杨金鑫、吕巍、颜江华和博士生潘宇翔；此外，还得到了笔者导师——曹双寅教授的长期指导与大力支持。将本团队的研究成果更好地介绍给学术界、工程界的同行，这是笔者撰写本书的主要动力和唯一目的。部分研究成果被江苏省工程建设标准《中小学校舍抗震鉴定与加固技术规程》（DGJ32/TJ 155—2013）采纳，并获得2015年度的教育部科学技术进步一等奖（排名第6）。 本书的研究工作得到国家自然科学基金青年基金项目（钢板砖砌体组合构件/框架受力性能及设计方法研究、51008070）、“十二五”国家科技支撑计划资助项目（传统古建聚落结构安全性能提升关键技术研究与示范、2012BAJ14B02）和江苏高校优势学科建设工程资助项目的资助，笔者在此表示衷心感谢。此外，笔者还感谢江阴瑞鑫建筑特种技术工程有限公司、南京东南建设工程安全鉴定有限公司、南京创安结构设计事务所有限公司等提供的应用案例。 本书可供高等院校土木工程专业的高年级本科生、研究生以及从事工程结构加固改造的技术人员或研究人员使用和参考。 由于笔者水平有限，书中不足之处恳请专家和读者不吝指正。 敬登虎 2017年元月于东南大学 4. 目录 第1章绪论1 1.1研究背景与意义1 1.2国内外研究现状5 1.3研究方法与组织7第2章钢板砖砌体组合效果试验初探8 2.1研究目的8 2.2试验概况8 2.2.1试件设计与制作8 2.2.2材料力学性能9 2.2.3加载方案10 2.3试验结果10 2.3.1试验现象10 2.3.2峰值荷载11 2.4试验分析12 2.5本章小结13第3章钢板砖砌体法向粘结强度试验研究14 3.1研究目的14 3.2试验概况15 3.3试验现象15 3.3.1砖砌体断裂破坏16 3.3.2混合破坏17 3.3.3界面粘结破坏17 3.4本章小结17第4章钢板砖砌体组合矩形截面短柱轴心受压性能研究19 4.1研究目的19 4.2试验概况19 4.2.1试件设计与制作19 4.2.2材料力学性能20 4.2.3加载和测量内容20 4.3试验结果与分析20 4.3.1试件破坏形态20 4.3.2可见屈曲荷载与极限荷载21 4.3.3荷载轴向应变关系曲线22 4.3.4钢板纵向应变22 4.3.5钢板横向应变25 4.3.6对拉螺栓应变26 4.4屈曲承载力计算方法27 4.4.1钢板应力计算模型27 4.4.2砖砌体的应力应变计算模型27 4.4.3计算公式28 4.4.4试验验证28 4.5本章小结29第5章钢板砖砌体组合柱受压性能试验研究30 5.1研究目的30 5.2试验概况30 5.2.1试件设计与制作30 5.2.2材料力学性能31 5.2.3加载板的设计与制作32 5.2.4加载方式和测量内容32 5.3试验结果与分析34 5.3.1试件加载过程34 5.3.2试件破坏形态35 5.3.3极限承载力39 5.3.4轴向荷载变形关系曲线39 5.3.5轴心受压试件钢板纵向应变39 5.3.6轴心受压试件钢板横向应变40 5.3.7偏心受压试件的截面应变分布41 5.4对比分析42 5.5本章小结42第6章钢板砖砌体组合梁正截面抗弯性能试验研究44 6.1研究目的44 6.2试验概况44 6.2.1试件设计与制作44 6.2.2材料力学性能45 6.2.3加载和测量内容45 6.3试验现象48 6.3.1试件加载过程48 6.3.2破坏形态50 6.4试验结果分析52 6.4.1截面应变分布52 6.4.2极限承载力与主要影响因素53 6.4.3荷载挠度关系曲线54 6.4.4对拉螺栓应变55 6.4.5侧板顶部应变55 6.4.6侧板底部应变及底板应变56 6.4.7底板横向应变57 6.4.8对拉螺栓左右测点应变58 6.5对比分析60 6.6抗弯屈曲承载力简化计算60 6.6.1钢板弹性临界屈曲强度计算60 6.6.2组合梁的抗弯承载力61 6.6.3工程系数λ分析61 6.7本章小结62第7章钢板砖砌体组合梁抗剪性能试验研究63 7.1研究目的63 7.2试验概况63 7.2.1试件设计与制作63 7.2.2材料力学性能65 7.2.3加载方式与量测方案66 7.3试验现象与破坏形态67 7.3.1试验现象67 7.3.2破坏形态特点72 7.4试验结果分析73 7.4.1峰值荷载与影响因素73 7.4.2荷载挠度关系曲线74 7.4.3对拉螺栓间距影响74 7.4.4钢板厚度影响75 7.4.5剪跨区侧板顶部压应变变化75 7.4.6剪跨段钢板剪应变77 7.4.7荷载底板拉应变关系曲线78 7.5破坏机理分析78 7.6抗剪承载力简化计算公式79 7.6.1钢板弹性剪切屈服计算方法79 7.6.2钢板全截面剪切屈服计算方法80 7.6.3本章简化计算方法80 7.7本章小结82第8章钢板砖砌体组合梁弯剪扭复合受力性能试验研究83 8.1研究目的83 8.2试验概况83 8.2.1试件设计与制作83 8.2.2试验加载与量测方案85 8.3破坏形态与机理86 8.3.1破坏形态86 8.3.2破坏机理分析88 8.4试验结果分析88 8.4.1极限承载力及主要影响因素88 8.4.2组合梁变形特征89 8.4.3外包U形钢板应变90 8.5承载力简化计算方法94 8.5.1破坏形态与判别准则94 8.5.2技术路线与基本假定94 8.5.3扭型破坏受力分析96 8.5.4其他破坏情况受力分析102 8.6本章小结103第9章钢板砖砌体组合墙梁受力性能试验研究与分析104 9.1研究目的104 9.2试验概况105 9.2.1试件设计与制作105 9.2.2材料力学性能106 9.2.3加载和测量内容107 9.3试验结果与分析108 9.3.1试件受力过程108 9.3.2破坏形态分析110 9.3.3承载力及主要影响因素111 9.3.4荷载挠度关系曲线113 9.3.5侧板上缘压应变发展113 9.3.6底板拉应变发展114 9.3.7截面应变分布和中和轴位置变化114 9.3.8剪跨段钢板应力随荷载的变化115 9.3.9钢板受压区螺栓间测点应变116 9.4墙梁分析与建议116 9.5本章小结118第10章钢板砖砌体组合异形柱轴心受压性能试验研究120 10.1研究目的120 10.2试验概况120 10.2.1试件设计与制作120 10.2.2试验加载与测量内容122 10.3试验现象123 10.3.1L形柱123 10.3.2T形柱124 10.4试验结果分析126 10.4.1破坏特征与荷载126 10.4.2荷载轴向应变关系曲线127 10.4.3钢板的荷载竖向应变关系曲线128 10.5屈曲承载力简化计算129 10.6本章小结130第11章钢板砖砌体组合异形柱偏心受压性能试验研究131 11.1研究目的131 11.2试验概况131 11.2.1试件设计与制作131 11.2.2试验加载与测量内容131 11.3试验现象134 11.4试验结果分析138 11.4.1试件破坏特征138 11.4.2荷载轴向应变关系曲线139 11.4.3外包钢板荷载纵向应变关系曲线141 11.5屈曲承载力简化计算144 11.6本章小结146第12章钢板砖砌体组合异形柱抗震性能试验研究147 12.1研究目的147 12.2试验概况147 12.2.1试件设计与制作147 12.2.2材料性能149 12.2.3试验加载与测试内容149 12.3试验现象150 12.3.1L形截面柱150 12.3.2T形截面柱152 12.4试验结果分析155 12.4.1滞回曲线155 12.4.2骨架曲线156 12.4.3承载力158 12.4.4强度退化159 12.4.5刚度退化160 12.4.6延性161 12.4.7耗能能力162 12.5试验参数比较分析167 12.5.1应力水平167 12.5.2对拉螺栓间距167 12.5.3截面形状168 12.6破坏机理168 12.7本章小结169第13章钢板砖砌体组合框架抗震性能试验研究170 13.1研究目的170 13.2试验概况170 13.2.1试件设计与制作170 13.2.2材料力学性能172 13.2.3试验装置和加载制度172 13.2.4主要测量内容和方法172 13.3试验现象174 13.4控制截面应变分析176 13.5抗震性能分析178 13.5.1滞回曲线178 13.5.2骨架曲线178 13.5.3抗震性能指标179 13.5.4节点相对转角与加载等级骨架曲线182 13.6本章小结182第14章嵌筋与钢板加固木框架填充砖墙抗震性能试验研究184 14.1研究目的184 14.2试验概况184 14.2.1试件设计与制作184 14.2.2试件加固方案186 14.2.3材料力学性能188 14.2.4试验加载与测量内容190 14.3试件破坏过程与特征193 14.3.1试件KJ1193 14.3.2试件KJ2193 14.3.3试件KJ3194 14.3.4破坏特征194 14.4抗震性能分析194 14.4.1滞回曲线194 14.4.2骨架曲线195 14.4.3荷载与层间转角196 14.4.4延性指标和耗能能力196 14.4.5填充墙剪切变形197 14.4.6梁柱节点与柱子转角197 14.4.7控制截面应变分析198 14.5本章小结199第15章钢板砖砌体组合结构构件应用案例201 15.1局部大空间改造201 15.1.1工程概况201 15.1.2截面尺寸选取201 15.1.3计算分析202 15.1.4施工现场204 15.1.5现场试验与分析205 15.2底层大空间改造206 15.3多层大空间改造213 15.4圈梁与构造柱214参考文献216 |
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