Tilt-up建筑结构连接节点数值模拟及设计方法研究

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我国物流行业目前正处在快速发展阶段。物流仓储设施新建、更新与完善是我国物流产业扩大规模与提质升级的基础保障。我国大部分地区物流仓储设施较少,大量物流仓储建筑还有待建设。Tilt-up建筑是一种现场平浇混凝土墙板、现场吊装就位的预制装配式建筑,具有建造快速、高效、经济等特点,在北美地区广泛应用于大型物流仓储建筑,研究Tilt-up建筑对我国装配式物流仓储设施的建设具有积极意义。连接体系是装配式建筑的重要组成部分,本文对Tilt-up建筑连接体系中的带头锚栓预埋件连接节点进行数值模拟和设计方法研究,主要研究内容和成果如下:(1)采用ABAQUS有限元分析方法与已有试验进行对照,探究带头锚栓预埋件合理的数值模拟方法。模拟过程中混凝土与带头锚栓预埋件都采用C3D8R实体单元,混凝土材料选用塑性损伤模型,带头锚栓预埋件材料采用双折线模型,混凝土与锚栓之间的接触选用系数为0.4的库伦摩擦接触。对学者Lemieux所做带头锚栓受力性能试验进行验证,比较单调加载与往复加载的荷载位移曲线;对刘玲等人所做的带头锚栓受力性能试验进行验证,比较单调剪切加载下预埋件荷载位移曲线与混凝土破坏形态。研究表明数值模拟结果与试验结果较为接近,有限元分析带头锚栓预埋件受力性能较为可靠。(2)通过变换数值模拟中带头锚栓预埋件参数,探究带头锚栓预埋件承载力影响因素。以带头锚栓埋深与直径之比hef/d、带头锚栓直径d、混凝土抗压强度fc、带头锚栓边距c为变化参数,对66组带头锚栓进行数值模拟,对其进行单调剪切加载并比较预埋件的极限承载力、峰值位移。研究结果表明带头锚栓预埋件抗剪承载力随着hef/d、d、c、fc的增加呈上升趋势,受剪峰值位移随着hef/d、c、fc的增加呈上升趋势,随d增加呈现下降趋势。为研究带头锚栓预埋件抗拉承载力影响因素,以混凝土抗压强度fc、带头锚栓埋深hef为变化参数,对26组带头锚栓进行数值模拟,进行单调拉伸加载并比较预埋件的抗拉承载力、峰值位移。研究结果表明带头锚栓预埋件抗拉承载力随着hef、fc的增加呈上升趋势,受拉峰值位移随着hef、fc的增加呈上升趋势。对模拟所得承载力进行指数拟合,单锚抗剪承载力hef/d、d、fc、c的拟合系数分别为:0.09、0.43、0.63、1.56;双锚抗剪承载力hef/d、d、fc、c的拟合系数分别为:0.08、0.41、0.69、1.62;单锚抗拉承载力hef、fc的拟合系数分别为1.41、0.74;双锚抗拉承载力hef、fc的拟合系数分别为1.39、0.64。将92组模拟所得承载力与ACI-318计算公式承载力进行比较,平均比值为1.52,表明ACI-318带头锚栓承载力计算公式偏于保守。(3)采用理论计算与数值模拟结合的方法,探究带头锚栓预埋件在拉弯剪复合受力状态下的设计方法。基于弹性理论建立带头锚栓预埋件复合受力状态计算公式,然后建立4种不同锚板厚度的Tilt-up墙板-钢梁带头锚栓预埋件节点模型,在梁端分别对X、Y、Z三个方向进行单调加载,观察预埋件应力变化规律。研究结果表明基于弹性理论建立的带头锚栓预埋件拉弯剪复合受力计算公式与数值模拟结果较为接近,实际工程中锚板厚度取值为0.75d-d较为合理。(4)通过对某Tilt-up工程实例理论设计与数值模拟,探究我国Tilt-up节点设计方法。对比中美两国结构设计理论,采用基于概率理论的承载力极限状态设计法对某Tilt-up工程案例进行了墙板-钢梁节点的设计。设计过程中介绍了美国规范ASCE7屋盖水平力的计算方法、美国IBC中承载力极限状态荷载组合的方法。对设计的带头锚栓预埋件进行了中美预埋件规范验证,比较中美预埋件规范的不同,根据设计结果提出了基于我国规范的Tilt-up节点设计方法。在理论设计完成后建立Tilt-up墙板-钢梁带头锚栓预埋件节点模型,施加设计荷载并观察混凝土与锚栓应力,模拟结果与理论结果误差为5.67%,验证了节点设计理论的准确性。
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