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作为一种比较理想的抗侧力体系,同时具有良好的经济性,混合结构在我国超高层建筑结构中被广泛采用。梁—墙节点是混合结构超高层中最常用的节点形式之一,而铰接是这种节点在设计时主要连接方式。1994年美国北岭地震和1995年日本神户地震这种节点的破坏程度和破坏形式表明这种铰接节点抗震性能较差。本文针对超高层钢—混凝土混合结构中的梁—墙节点,开展了以下方面的研究:
首先利用有限元分析程序对超高层混合结构整体地震反应进行了计算分析,以了解梁—墙节点在地震作用下的实际受力状态;分析影响节点受力状态的主要因素;从而为更准确地研究节点性能提供参数和依据。研究发现,在地震(基本烈度和罕遇地震)作用下,与混凝土剪力墙交接处的组合楼板的混凝土会出现开裂,而现有的有限元程序都很难直接分析混凝土开裂后节点受力状态的变化。为此,本文通过在楼板与剪力墙之间开缝,利用弹簧单元模拟钢筋作用的方法分析楼板开裂时节点受力的变化。分析表明,在楼板开裂后,部分在开裂前通过楼板传递的水平和竖向剪力转由钢梁传递,节点处钢梁内力会成倍增加。增加的幅度与楼板的厚度、钢梁间距、钢梁跨度有关。同时文中还分析了不同楼板假定对节点内力计算结果的影响;节点连接方式、节点位置等因素对节点内力的影响等。
在对超高层混合结构整体进行计算分析,以及对梁—墙节点设计和施工特点进行分析研究的基础上,本文提出了对超高层混合结构中梁—墙节点的改进设计模型。改进的设计模型可以承受弯矩(可以称为半刚接节点)。改进的节点设计模型具有两个明显的特点,第一是将预埋于混凝土墙中的连接件的抗拉和抗剪功能分开,设置专门的锚固连接件;第二是在钢梁上下翼缘部位增加钢板连接件承受钢梁传递来的弯矩,同时避免组合楼板的混凝土开裂后,在梁墙连接处的钢梁截面最薄弱(其他部位钢梁与楼板可考虑共同作用)。
为了分析了解改进节点模型的性能,本文进行了五组对比模型试验,试验对节点在梁端竖向施加反复荷载,水平向加载单调递增,同时通过预应力加载模拟剪力墙处于实际结构中的受压状态。试验分析结果表明,改进后的节点设计模型具有较好的承受弯矩能力和延性,同时具有一定的耗能能力。
在节点模型试验的基础上,本文采用有限元程序ANSYS对节点的非线性性能进行了分析计算,分析中除了考虑混凝土和钢材材料的非线性本构关系外,还考虑了钢与混凝土之间的粘结和滑移,混凝土的开裂和压碎,混凝土裂缝开裂、闭合时的剪力传递功能等。在对节点在竖向剪力反复作用下的破坏情况进行计算分析同时,还研究了节点在水平方向反复荷载作用下的P-δ曲线的特点,剪力墙轴压比对节点性能的影响等。
最后,本文对半刚接节点在结构有限元分析程序中的计算方法进行了分析探讨。提出了通过调整单元刚度矩阵的方法将半刚接节点的特征反应到计算程序中去,从而达到在程序中直接计算分析半刚接节点的目的。文中重点推导了节点的抗拉刚度和抗弯刚度;分析探讨了节点锚固连接件的验算方法;并根据前面超高层混合结构整体分析时得到的荷载值给出了节点刚度特点以及锚固连接件验算的具体算例;为了方便设计人员的使用,本文还将节点刚度推导和锚固连接件验算的过程通过编制的程序来实现。使整个半刚接节点的设计计算过程变得非常方便。
通过几方面的研究分析,本文认为,在超高层混合结构中,梁—墙节点设计成半刚接节点形式是可行的;这种节点形式具有较好的承载力和抗震性能;设计和施工都非常方便。在未来的结构设计中一定会有很大的使用空间。