施工缝对框架结构抗震性能的影响

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在现代施工过程中,钢筋混凝土结构往往不能完全实现混凝土的连续浇筑,所以必然在结构某些部位留设施工缝。施工缝是实实在在存在的,但是施工缝的存在对于结构的影响在很长一段时间被人们忽略。虽然也有很少数的专家学者对此进行了部分研究,但是施工缝仍然没有得到足够的关注。在过去不久的汶川大地震中一些典型的施工缝震害现象引起了我们的关注。由于在实际施工过程中,施工缝的留设是比较粗糙的,施工缝的留设和处理方法在一定程度上破坏了结构的完整性和连续性,从而其并不能保障结构具有很好的抗震性能,所以造成了我们所见的地震中大量的施工缝震害现象。虽然随着人们关注程度的提高也有了一些关于施工缝的研究,但是大多数研究都只是以试验为主完成的,而对于施工缝的数值模拟是很少的。所以本文首先从留设施工缝的悬臂柱模拟为出发点,找到一种比较可行的方法来对施工缝进行模型化,然后将其运用于框架结构,从而探讨施工缝对结构抗震性能的影响。本文中的框架结构为两层两跨平面框架,在探讨施工缝对结构抗震性能影响上主要从骨架曲线,延性,耗能能力以及刚度退化方面进行了比较详细的研究。在考虑施工缝影响的悬臂柱数值模拟中,本文以两组尺寸、材料、配筋形式、荷载完全相同的整浇柱与带缝柱的试验数据为基础,采用基于材料本构关系的纤维模型对整浇柱及带缝柱进行数值模拟。两组实验称为Z3组和Z4组。在众多的纤维模型软件中,本文采用计算精度较高的结构分析软件OpenSees,该软件能在纤维模型中考虑剪切效应,为带缝柱的模型化提供了有利条件。根据对试验现象及试验数据的分析,带缝柱的模拟采用在柱中加入零长单元来模拟施工缝界面,从而避免了接触单元无法真实模拟截面钢筋作用的缺点。施工缝的模型化主要从两个方面进行考虑,一是裂缝开展后缝界面处钢筋的滑移,二是带缝柱的剪切恢复力模型。在纤维模型中,采用非线性零长截面单元,考虑缝面处钢筋的滑移以及剪切恢复力模型来模拟带缝柱的静力非线性行为。通过模拟结果与试验数据进行对比,验证数值模拟的可行性,提出一种施工缝模型化的方法,为后面施工缝对框架结构抗震性能的影响的研究奠定基础。从实验数据和模拟结果的对比中可以发现,采用本文方法对施工缝进行模型化,得到的模拟结果比较符合试验情况。对比结果表明:从滞回曲线以及骨架曲线中反映出的构件性能,可知带缝柱的强度和刚度退化都较整浇柱明显,由于施工缝的存在使得施工缝成为构件的薄弱环节,带缝柱的延性明显小于整浇柱。在此基础上,本文对两榀框架结构进行了数值模拟,其中一榀框架为无缝框架,另一榀为有缝框架,并且对两组框架进行了静力反复荷载下的滞回分析。通过两组框架结构数值模拟结果的对比,探讨了施工缝对框架结构抗震性能的影响。分析结果表明:在强度方面,施工缝的存在对结构屈服荷载及最大荷载有一定的影响,屈服荷载影响较小而最大荷载影响较大,有缝框架最大承载力低于无缝框架;结构延性方面,有缝框架延性低于无缝框架,说明施工缝的存在降低了结构的延性;刚度方面,有缝框架的初始刚度小于无缝框架,有缝框架刚度退化幅度略大于无缝框架;耗能能力方面,施工缝的存在对结构耗能能力的影响较大,有缝框架的耗能能力明显低于无缝框架;层间位移角方面,施工缝对其有一定的影响但是影响较小;塑性铰分布方面,施工缝的存在没有改变结构的出铰机制,结构仍然以出梁铰为主。
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