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钢管混凝土柱—平板结构因其承重方面良好的力学性能及使用上的灵活性而日渐受到结构工程师的重视。传统的钢管混凝土柱—平板节点的构造形式是保持钢管混凝土柱沿全高贯通成整体,平板楼盖从柱子侧面与其连接。本文构建了板柱节点设计的另一思路,即保持混凝土平板楼盖的连续性,各层楼盖在板柱交接处的板面和板底与钢管混凝土柱连接。为了避免节点区由于钢管不连通而受到削弱,在柱头附近局部加厚楼板形成柱托板,通过托板内的混凝土和环向钢筋约束节点核心混凝土,使其承载力达到或超过相应的钢管混凝土柱。为了解该新型节点的传力机理和受力性能,本文对该类节点的轴压、偏压、抗冲切以及抗震性能进行了系统的研究,主要进行了以下几方面的工作。
(1)按照1:5的缩尺比例,设计制作了21个节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱—平板节点,通过轴压和偏压试验,重点分析了荷载偏心距、节点与柱子横截面积比、节点区环筋配筋率及混凝土抗压强度等几个因素对节点力学性能的影响。结果表明,柱身钢管尽管在节点区内不连通,但管间距离不大,仍对核心混凝土提供了较强的约束作用,这个特性有利于节点核心混凝土在柱身钢管屈服前保持良好的工作性能;混凝土抗压强度、节点与柱子横截面积比及环向钢筋数量对节点轴压承载力影响较大,而节点托板内箍筋对节点轴压承载力影响不大;节点的荷载偏心距,节点区环筋配筋率及混凝土强度等级对节点偏压承载力的影响较大。
(2)运用大型有限元分析软件ABAQUS对节点轴压和偏压性能进行了详细的分析,并探讨了节点的受力机理。分析结果表明,在合理的配筋下,节点区柱帽对核心混凝土的约束程度高于柱身钢管;在对节点进行分析时需要考虑钢管承担的轴向力对节点区的局部冲切作用;节点区的受力机理可以概括为钢管混凝土柱对节点区产生的局部承压作用和柱身钢管对节点区产生的局部冲切作用相叠加。
(3)总结试验和理论分析的结果,综合围内外相关研究成果,在国家现行规范的基础上,提出该新型节点轴压和偏压承载力的参考计算公式,为该类节点工程设计提供了参考。
(4)按照1:2的比例缩尺设计制作了8个新型节点模型,对节点试件进行了抗冲切试验研究,获取有关构件应变、裂缝开展、挠度以及承载力等试验数据。结果表明,增大托板截面高度,可提高节点的刚度及开裂荷载,使钢筋的应变减小,有利于提高节点抗冲切承载力;预施加应力在一定限度内,可以有效延缓节点开裂,减小普通钢筋的应变,增大节点刚度,从而提高节点的抗冲切承载力;不平衡弯矩的存在会降低节点开裂荷载。在此基础上,提出了该新型节点抗冲切承载力的计算公式以及设计建议。
(5)设计制作5个1:1.5的新型中柱节点缩尺模型,通过拟静力试验,对不同板筋布置方式下节点的延性、滞回规律和耗能能力等抗震性能进行较深入的研究,并结合试验结果,提出了该新型板柱节点的恢复力模型。试验结果表明,在其他参数基本一致的情况下,板中配筋量和配筋方式不同,节点的破坏形态不同;在柱上板带设置抗冲切箍筋可以有效地提高节点发生冲切破坏时的塑性变形能力,增强延性,减缓强度退化和刚度退化现象;箍筋直径小而间距密的试件耗能能力稍好于箍筋直径大而间距宽的试件;节点构造满足“强冲切弱弯曲”的抗震设计原则要求。
(6)通过一个设计实例,示范该新型节点如何在工程上应用,并与传统板柱节点进行经济比较。提出该新型节点的构造要求和施工要点,并对其应用前景作出评价。
该新型板柱节点传力可靠,施工简捷,节省造价,因而具有广阔的应用前景。