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随着国家大力推进建筑产业化,混凝土叠合结构得到了迅速发展,其中叠合板-梁节点框架结构应用较为广泛。本文通过试验研究、理论分析和有限元分析相结合的方法,系统研究了预应力混凝土叠合板、预应力混凝土叠合板-梁节点的力学性能以及考虑土-结构相互作用的叠合板-梁节点框架结构的抗震性能。主要研究工作和成果如下:
(1)通过对大量相关文献的概括总结,整理了土-结构相互作用理论成果,明确了在地震作用下土-结构相互作用的机理及理论依据、土体和上部结构之间的简化方法以及成层土场地地震计算模型等。在研究土体本构和钢筋混凝土材料本构的基础上,采用Newmark-β迭代方法来考虑土的非线性滞回特性和地震荷载的随机性。最后,确定了适合叠合板-梁节点框架结构的土-结构动力相互作用材料本构和体系分析模型。
(2)通过对预应力混凝土叠合板构件进行弯曲性能试验,分析了荷载-挠度关系曲线、荷载-纵筋应变关系曲线、截面应变分布以及裂缝开展模式,验证了叠合板受弯时符合平截面假定,并且在正常使用阶段预制预应力底板与后浇板可以协同工作。采用ABAQUS有限元软件建立了叠合板的力学模型,通过降温法施加预应力荷载,利用试验结果验证其合理性,得到弯曲裂缝的产生、扩展过程与试验时裂缝的走向较为一致。最后,利用简化的承载力公式,对预应力混凝土叠合板的承载力进行评估,理论值与试验值误差满足相关要求,可采用简化的方法计算预应力混凝土叠合板的受弯承载力。
(3)在分析叠合板-梁节点关键参数的基础上,对其进行了精细化有限元方法分析,确定适合叠合板-梁节点的材料本构模型,特别是在钢筋混凝土材料模型中引入CDP模型,以表征混凝土材料的非线性特征,并利用已有文献数据验证了模型的合理性。在此基础上,分析了单向静力加载下叠合板-梁节点的极限承载力和裂缝扩展过程,最终,建议了叠合板-梁节点在承受较大负弯矩时要加强构造措施。
(4)通过对叠合板-混凝土梁节点框架结构和叠合板-钢梁节点框架结构进行模态分析和结构动力时程分析,对比了刚性地基与考虑土-结构相互用作后结构的地震响应。结果表明:与刚性地基相比,考虑土-结构相互作用后,结构自振周期变大、楼层剪力减小、最大层间位移角减小、顶层位移增大以及顶层加速度减小。
(5)通过对不同高度的叠合板-混凝土梁节点框架结构进行模态分析和结构动力时程分析,研究了土-结构相互作用对不同高度叠合板-混凝土梁节点框架结构抗震性能的影响。结果表明:随着结构高度的增加,考虑土-结构相互作用对结构的自振周期、顶层最大位移、最大层间位移角和楼层剪力的影响更加显著。
(1)通过对大量相关文献的概括总结,整理了土-结构相互作用理论成果,明确了在地震作用下土-结构相互作用的机理及理论依据、土体和上部结构之间的简化方法以及成层土场地地震计算模型等。在研究土体本构和钢筋混凝土材料本构的基础上,采用Newmark-β迭代方法来考虑土的非线性滞回特性和地震荷载的随机性。最后,确定了适合叠合板-梁节点框架结构的土-结构动力相互作用材料本构和体系分析模型。
(2)通过对预应力混凝土叠合板构件进行弯曲性能试验,分析了荷载-挠度关系曲线、荷载-纵筋应变关系曲线、截面应变分布以及裂缝开展模式,验证了叠合板受弯时符合平截面假定,并且在正常使用阶段预制预应力底板与后浇板可以协同工作。采用ABAQUS有限元软件建立了叠合板的力学模型,通过降温法施加预应力荷载,利用试验结果验证其合理性,得到弯曲裂缝的产生、扩展过程与试验时裂缝的走向较为一致。最后,利用简化的承载力公式,对预应力混凝土叠合板的承载力进行评估,理论值与试验值误差满足相关要求,可采用简化的方法计算预应力混凝土叠合板的受弯承载力。
(3)在分析叠合板-梁节点关键参数的基础上,对其进行了精细化有限元方法分析,确定适合叠合板-梁节点的材料本构模型,特别是在钢筋混凝土材料模型中引入CDP模型,以表征混凝土材料的非线性特征,并利用已有文献数据验证了模型的合理性。在此基础上,分析了单向静力加载下叠合板-梁节点的极限承载力和裂缝扩展过程,最终,建议了叠合板-梁节点在承受较大负弯矩时要加强构造措施。
(4)通过对叠合板-混凝土梁节点框架结构和叠合板-钢梁节点框架结构进行模态分析和结构动力时程分析,对比了刚性地基与考虑土-结构相互用作后结构的地震响应。结果表明:与刚性地基相比,考虑土-结构相互作用后,结构自振周期变大、楼层剪力减小、最大层间位移角减小、顶层位移增大以及顶层加速度减小。
(5)通过对不同高度的叠合板-混凝土梁节点框架结构进行模态分析和结构动力时程分析,研究了土-结构相互作用对不同高度叠合板-混凝土梁节点框架结构抗震性能的影响。结果表明:随着结构高度的增加,考虑土-结构相互作用对结构的自振周期、顶层最大位移、最大层间位移角和楼层剪力的影响更加显著。