钢绞线锚入式装配混凝土框架节点抗震试验与理论研究

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进入“十二五”规划以来,随着我国城镇化建设进程的加快,国家大力推进建筑工业化,以实现建筑业的转型和升级,建设节能省地环保型住宅日益成为中国住宅建设的目标和方向。预制装配混凝土具有生产效率高、产品质量好、对环境影响小、有利于可持续发展等优点。在预制装配混凝土结构中,预制装配混凝土框架和剪力墙结构是两类主要的结构形式,其中框架结构应用面较广。近些年国内很多学者对预制装配混凝土框架结构的抗震性能进行了大量的研究,本文是在既有研究成果的基础上,提出一种新型预制装配混凝土框架梁柱节点并对其抗震性能进行了试验和理论研究,论文的主要工作及成果如下:1.分析了预制装配技术的发展对我国建筑业发展的重要意义,回顾和总结了装配式混凝土框架结构的有关技术和研究成果以及我国预制装配式混凝土结构存在的问题。2.基于既有研究的基础上,创新性的提出了一种钢绞线锚入节点区的新型预制装配框架梁柱节点,从耗能机制的原理出发,对其耗能机制进行了理论分析,并评价了该新型节点的耗能能力。为了掌握新型节点的抗震性能,设计制作了4个预制新型节点及1个现浇对比节点,其中四个预制新型节点的不同点在于节点核心区是否设置附加钢筋以及键槽内钢绞线是否设置无粘结段。并详细介绍了试件的设计、试验的加载装置及加载制度以及试验量测内容。3.对4个新型预制混凝土框架梁柱节点及1个现浇节点进行低周反复荷载试验,对试验过程和现象及试验结果进行了分析和研究,并与现浇节点的滞回曲线和骨架曲线、变形能力及承载力分析、刚度退化、耗能能力、钢筋应变和变形能力等进行了对比。试验结果表明新型节点在梁端受向上的荷载时,即钢绞线作为主受拉筋,其滞回曲线呈现弓形,饱满程度不如现浇节点。预制试件向上的骨架曲线不存在明显的屈服平台段,其极限承载力相对于现浇构件提高较多。预制节点在加载前期刚度退化较快,滞回耗能、等效粘滞阻尼系数在中前期不如现浇试件,但在加载后期,预制节点的刚度退化较现浇节点的慢,滞回耗能、等效粘滞阻尼系数相对于现浇构件均有较大提高,部分指标超过现浇试件,说明预制节点有着较大的安全储备。新型节点的位移延性系数低于现浇节点,但是新型节点的变形能力与现浇节点基本相当。4.介绍了几种钢筋混凝土结构或者构件的恢复力模型,并且对其中的一种类型恢复力模型(三折线刚度退化恢复力曲线模型)进行了相应的数学描述。基于对新型节点低周反复荷载试验所得到的滞回曲线以及骨架曲线的分析结果,通过对骨架曲线进行无量纲化处理,建立了新型预制装配节点的统一骨架曲线,并且与试验结果所得到的无量纲骨架曲线进行了对比,可以发现与试验结果符合较好。最后通过回归分析得到了4个新型预制装配框架梁柱节点在低周反复荷载作用下的刚度退化规律的数学模型。5.基于现有的《建筑抗震设计规范》及节点核心区传力机理深入研究的基础上对本文试件的有效验算宽度、高度和有效深度进行了计算。分析了节点的柱端压弯破坏、四种破坏形式,设计中应避免梁端受弯破坏、锚固破坏和核心区剪切破坏,以实现梁端受弯破坏的延性破坏形式,尤其应严格避免剪切破坏,做到“强节点,弱构件”。节点破坏的主要原因在于节点混凝土约束不足、配筋不足、梁筋锚固出现问题以及施工不当引起的。因此对于节点的设计要从强度和延性构造两个方面采取措施,可以提高节点的抗震性能。采用了改进斜压场理论(MCFT)对新型节点的抗剪强度与剪切变形进行计算。结果表明:采用斜压杆机理可以较好预测节点区的抗剪强度及剪切变形,但是预制装配节点受力情况复杂,影响因素众多,该理论有待更深入试验研究的验证。6基于混凝土损伤塑性的本构模型,在反复测算的基础上,确定了新型节点的有限元分析参数,通过ABAQUS有限元软件对新型节点进行了建模分析,通过数值模拟结果和试验结果对比,可以发现模拟计算出来的滞回曲线、骨架曲线与试验实测的滞回曲线、骨架曲线有良好的吻合度。验证了本文所建立的有限元模型模拟新型节点的抗震性能是可行的。7.在现行规范的基础上,根据新型预制装配框架节点的受力分析,推导出新型节点的剪力计算公式以及节点核心区的截面验算公式。8总结了本文的主要成果,同时指出了装配式预制混凝土框架结构有待进一步研究的关键问题。
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