RC梁板柱空间夹心节点抗震性能及设计方法研究

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节点核心区采用同梁等强的低强度混凝土浇筑的夹心节点与采用同柱等强的高强度混凝土浇筑的传统节点相比,施工简单且易保证质量。在满足一定梁柱混凝土强度比、剪压比、轴压比及构造要求的条件下,不采取或采取一定的改进措施,夹心节点有满足承载力和抗震性能要求的可能性。但是,我国规范关于夹心节点的规定过于简单,没有明确的验算方法,且国内相关的试验和理论研究较少,尚未取得公认的研究成果,而国外相关的研究则主要集中于板柱节点轴压承载力的设计方法。本文充分借鉴国内外已有的研究成果,对梁板柱空间夹心节点的破坏机理、抗震性能及其影响因素、改进措施和设计方法进行了试验研究、数值模拟和理论分析,主要研究工作及成果包括如下几个方面。  1.空间夹心节点抗震性能的试验研究  通过不同柱与梁混凝土强度等级差的7个梁板柱空间夹心节点和3个传统节点双向等幅低周往复荷载试验,对比分析了夹心节点和传统节点破坏形式、延性、耗能、变形等方面的差异以及强度等级差的影响。结果表明:夹心节点与传统节点的破坏过程类似,经历了裂缝开展、钢筋屈服、损伤破坏、试件失效四个阶段;中低剪压比夹心节点的整体抗震性能稍弱于传统节点,但相差不明显;中低轴压比、剪压比条件下,当柱与梁混凝土强度等级之比小于1.5时,节点区可直接采用与梁相同强度等级的混凝土浇筑,当柱与梁混凝土强度等级之比大于1.5时,其破坏形式可转变为节点核心区剪切破坏,需采取相应的加强措施。  2.采取改进措施空间夹心节点抗震性能试验研究  考虑三种改进措施,即在空间夹心节点核心区两箍筋之间按箍筋布置方式设置碳纤维(CFRP)布、沿柱方向插竖向CFRP短筋和部分梁上部纵筋套聚氯乙烯(PVC)管,通过三组空间夹心节点双向等幅低周往复荷载试验,对比分析了采取和未采取改进措施节点的破坏形式、延性、耗能、变形和承载力等方面的差异。结果表明:配CFRP率不同,对节点核心区的破坏程度有不同影响,并非配CFRP率越大越好,配CFRP率适中时,前两种改进措施能够一定程度上改善夹心节点的抗震性能;节点核心区设置PVC管后,夹心节点的破坏模式由核心区剪切破坏转变为梁端弯曲破坏,夹心节点的受力性能得到很好的改善,但梁端弯曲变形增大,承载力有一定程度降低。  3.基于精细化数值分析模型的空间夹心节点抗震性能研究  采用大型有限元分析软件MSC.Marc对空间夹心节点进行了弹塑性分析,并与试验结果进行了对比,验证了有限元模型及分析方法的准确性和适用性。选取试验外参数,进一步研究了轴压比、剪压比、梁柱混凝土强度比以及楼板等参数对夹心节点受力性能的影响规律。研究表明:在不同的剪压比下,轴压比对节点的抗震性能有着不同的影响。当剪压比较小(0.14)时,轴压比越大,节点的抗震性能越好;当剪压比中等大小(0.2)时,轴压比对节点抗震性能影响较小;当剪压比较高(0.26)时,轴压比为0.3-0.5的节点抗震性能较好,超过或者低于此值抗震性能都有所降低;在一定轴压比下,剪压比越小,节点抗震性能越好;梁柱强度等级大于或等于4时,需对节点采取加强措施;楼板对空间夹心中节点的抗震性能影响较大,楼板提高了对核心区的约束作用,但增大了传入节点核心区的荷载,当前者的作用大于后者时,会提高节点的抗震性能,反之则会降低节点的抗震性能。  4.双向加载比例对空间夹心中节点抗震性能影响的试验与数值模拟研究  通过空间夹心节点单向和双向低周往复荷载试验以及数值模拟,分析了双向加载比例(0表示平面加载,1表示双向等幅加载)对梁板柱空间夹心节点抗震性能的影响。结果表明:双向加载比例对节点的抗震性能有较大影响,随着加载比例的增大,节点损伤越来越严重,加载比例为1时,节点损伤最严重(这也说明本文试验采用的加载制度是最为不利的);双向加载和单向加载试验结果的比值为1.13,二者不是简单的矢量叠加关系,且双向加载时节点的延性有所降低。  5.空间夹心节点破坏模式及失效机理研究  在试验研究和数值模拟基础上,分析了夹心节点的破坏模式和破坏机理以及影响因素,结果表明:梁柱强度比、剪压比和配CFRP率是影响空间夹心破坏模式的主要因素,其主要破坏模式是梁屈服后梁端破坏或节点破坏;柱与梁混凝土等级之比小于1.5的中低剪压比夹心节点及采用适配CFRP率加强夹心节点的主要破坏模式是梁端破坏,梁混凝土等级之比大于1.5的中低剪压比夹心节点及采用高配CFRP率加强夹心节点的破坏模式为梁屈服后节点破坏;节点核心区的主要传力机制为斜压杆机制、桁架机制和约束机制。CFRP可视为桁架机构的一部分,由于粘结问题,适配CFRP率的改进措施效果更好;设置PVC的改进措施减少了梁传入节点核心区的荷载,改变了夹心节点的破坏模式。  6.夹心节点空间抗剪分析模型与计算方法研究  在软化拉压杆模型中,考虑梁柱混凝土强度比、梁塑性区混凝土轴向应变、楼板对梁受压区高度影响等因素,提出了夹心节点的平面和空间抗剪分析模型与计算方法。该模型和方法的计算结果与本文试验结果(包括强度退化过程)较为接近,表明其可以预测夹心节点的抗剪承载力、变形及破坏模式。  7.夹心节点抗震设计方法研究  基于现行规范和本文提出的空间夹心节点抗剪分析模型以及已有研究成果,提出了空间夹心节点的抗震设计方法,并通过本文试验结果证明,该法的抗剪承载力简化计算公式可以较好地估计空间夹心节点的承载力。
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