预制UHPC壳局部增强装配式混凝土框架节点的抗震性能研究

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近年来随着经济社会以及城市化的发展,我国建筑业向绿色环保、提质增效的方向发展,建筑工业化成为未来发展的趋势。装配式混凝土结构能够减少现场湿作业和劳动力用量,提高建造效率,保障施工质量,成为建筑工业化的重点发展方向。目前常见的一种装配式框架结构的梁柱连接方式是梁端带U型槽式连接,在以往的研究中,此类节点在地震作用下梁端易产生混凝土破碎并造成钢筋弯曲,使得节点承载力迅速下降,并时常伴随着节点区大量裂缝的产生。超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高强度、高韧性、高耐久性的新型水泥基材料。由于钢纤维的存在,UHPC的抗拉强度远高于普通混凝土,且在开裂后仍能承受一定强度的拉应力,有望在提升结构强度的同时增强其耗能能力。但由于价格高、浇筑和养护要求高等原因,UHPC难以在建筑工程中大规模使用。本文依托国家自然科学基金青年基金项目—《预制UHPC壳局部增强装配式混凝土框架结构的抗震性能和设计方法》(51808109)和江苏省自然科学基金青年基金项目《基于小型预制UHPC壳的装配式混凝土框架结构抗震性能和设计方法》(BK20180385),,针对以往抗震研究中梁端破坏和节点区损伤的现象,采用梁端UHPC壳和节点区UHPC壳两种方式对梁柱节点进行增强。在成本不大幅提升的条件下,将预制技术与UHPC的高性能相结合以提升装配式混凝土框架结构梁柱节点的抗震性能。论文的主要内容和成果如下:(1)针对UHPC与普通混凝土(NSC)的结合面进行抗剪性能研究:对13个试件进行单调推剪试验,试件的变量包括结合面的处理方式(光面、露骨料式、气泡膜式和键槽式)以及UHPC和普通混凝土的浇筑顺序。试验结果表明:对于预制UHPC-后浇普通混凝土结合面,键槽和气泡膜形式的处理方式效果较好,而光面和露骨料式的强度低;预制UHPC试件的结合面抗剪强度不如采用相同处理方式的预制普通混凝土结合面。(2)对2个梁端采用不同长度UHPC壳的装配式节点进行低周反复荷载试验,并将试验结果与原有的整浇节点进行对比。结果表明:在梁底混凝土破碎区域内设置UHPC壳会导致破碎区域外移,而UHPC壳长度大于梁底混凝土破碎区域长度时,梁底混凝土不会破碎;梁端UHPC壳增强节点的强度与整浇节点相当,但延性相比整浇节点有较大提升,因此抗震性能较好。(3)对3个节点区UHPC壳增强装配式节点和1个整浇节点进行低周反复荷载试验,3个装配节点的UHPC壳的厚度与箍筋配置情况不同。将试验结果进行分析和对比,结果表明:节点区的UHPC壳能够增强节点区的抗剪能力,有效减少节点区的裂缝;由于UHPC壳阻隔了梁端U型槽与节点区槽内的后浇混凝土,梁与节点区的整体性遭到削弱,低周反复荷载下梁端较早产生破坏并导致节点的抗震性能降低。对该类型的节点连接方式需要进一步研究。(4)利用ABAQUS有限元软件对新型装配式节点进行模拟,模拟结果与试验较为吻合;对UHPC壳厚度、UHPC壳长度以及UHPC强度进行参数化分析,研究这些参数的对节点性能的影响。最后,对本文的研究内容和结果进行总结,并对该类型节点需要进一步研究和改进的方向提出建议与展望。
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