【摘 要】
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地震作用下,混凝土柱脚通常受到较大的轴向压力和弯矩的共同作用,很容易发生弯曲破坏形成塑性铰,存在严重的混凝土剥落压碎、纵筋压曲、箍筋外鼓崩断等现象。如何减小地震作用下混凝土柱底所受损伤,或使损伤集中于便于修复的地方,是研究者们共同关心的问题。本文在总结现有混凝土柱脚节点的竖向承压性能、剪力传递机制、柱底转动与自复位效果、耗能部件的连接构造与耗能效果等基础上,提出了一种含可更换耗能连接的装配式混凝土
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(51978165);
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地震作用下,混凝土柱脚通常受到较大的轴向压力和弯矩的共同作用,很容易发生弯曲破坏形成塑性铰,存在严重的混凝土剥落压碎、纵筋压曲、箍筋外鼓崩断等现象。如何减小地震作用下混凝土柱底所受损伤,或使损伤集中于便于修复的地方,是研究者们共同关心的问题。本文在总结现有混凝土柱脚节点的竖向承压性能、剪力传递机制、柱底转动与自复位效果、耗能部件的连接构造与耗能效果等基础上,提出了一种含可更换耗能连接的装配式混凝土柱脚(Precast Concrete Column Base Joint with Replaceable Energy Dissipation Connector,REDC-PCCB)节点。该节点设置在装配式混凝土结构矩形截面的底层摇摆柱底。柱底采用钢管混凝土构造作为加强部位,可在地震作用下承担竖向压力,且不会发生明显损伤;安装在柱底侧面的REDC组件,作为一种高延性的耗能连接件代替原有位置的纵向钢筋,在正常工作条件下参与柱底弯矩传递,在强烈地震作用下率先屈服并利用其轴向塑性变形耗散地震能量;柱底侧面设有用于限制水平滑移的凸起限位钢条作为抗剪连接件。本文针对这种节点的抗震性能开展了理论分析、试验研究和有限元模拟等工作,主要研究内容如下:首先针对所提出的REDC-PCCB节点,介绍了其构造组成、传力机理、施工工艺及其具备的优点。在总结课题组现有研究成果的基础上,提炼出了REDC耗能部件的合理设计要求。基于REDC-PCCB节点的几何变形关系,推导了水平荷载作用下不同受力阶段柱底REDC组件所提供的节点转动刚度和各受力变形特征点处的柱底弯矩-转角关系,并分析了节点摇摆界面的抗剪需求。为验证柱底加强部位的竖向承压效果,本文利用压力试验机对柱底摇摆底座试件开展了指定摇摆角度下的局部偏心承压试验,验证了试件在正常设计所需轴压比条件下能很好地满足柱底不出现损伤的要求,仅受压区局部区域进入屈服状态,其他区域均保持弹性,并对试件的极限受压承载能力进行了探索。采用有限元分析软件ABAQUS建立精细化实体分析模型与试验结果进行对比分析,进一步探究试件损伤形态、应变分布情况、竖向压力分配规律及受压区高度值,并针对摇摆角度、试件高宽比、钢套筒非承压侧宽厚比等因素开展了参数化分析。在前期试验和分析的基础上,本文设计了一个足尺的REDC-PCCB节点试件,并开展了5个工况下的拟静力试验,研究REDC组件震后修复、柱轴压比、REDC核心耗能钢板厚度等对试件受力变形性能的影响。试验结果表明,即便在高轴压比、大位移角下,混凝土柱仍基本保持弹性,柱底钢套筒承担了绝大部分的竖向压力但没有出现损伤,仅底部受压侧边缘局部屈服。损伤集中于柱底两侧REDC核心耗能钢板屈服耗能段内,在大位移角下经历数十次循环后发生延性的疲劳断裂,有效发挥出了Q235B钢材良好的变形能力和低周疲劳性能。柱底侧面设置的抗剪连接件有效限制了柱底平面内和平面外滑移趋势。试验得到了饱满、稳定、对称的滞回曲线和具有明显屈服点的双折线形骨架曲线,没有出现负刚度现象,修复前后试件的滞回曲线基本重合,承载力和刚度接近,验证了REDC-PCCB节点具有良好的延性、耗能能力和震后可修复特性。采用有限元分析软件ABAQUS对REDC-PCCB节点试件建立了精细化实体有限元模型并分别进行单调和循环加载计算,得到了节点的损伤形态、滞回特性、应力应变分布情况及REDC组件的变形性能,并与试验数据进行对比分析,验证了试验结果的可靠性和有限元模型的准确性。
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