高性能钢筋混凝土梁柱节点抗震性能试验研究

摘要

随着我国土木工程行业的高速发展，土木工程结构正向大型化、多样化发展，为实现节能减排、绿色环保和土木工程行业的可持续发展，普通强度钢筋作为钢筋混凝土结构用钢主材的状况已无法满足上述需求，发展低成本高性能钢筋并研究其工程应用已成为迫切需要解决的课题。梁柱节点广泛存在于房屋、桥梁等土木工程结构中，它是保证结构整体工作的重要构件，在地震作用下，节点受到水平、竖向剪力和弯矩的共同作用，受力相当复杂，并且一旦受到损伤很难修复。应用HRB500E高性能钢筋的混凝土梁柱节点的抗震性能研究在国内尚属空白阶段，因此，很有必要对高性能钢筋混凝土梁柱节点的抗震性能进行深入研究。
　　本文对3榀配置高性能钢筋混凝土梁柱节点进行了拟静力试验，节点试件中钢筋全采用水钢开发研制的HRB500E高性能钢筋，重点研究了在梁柱组合体中采用高性能钢筋的工程可行性、优越性和抗震性能。通过试验得到节点试件梁端力–位移滞回曲线、骨架曲线和延性系数等抗震性能特征值。研究了梁配筋率和节点配箍率对高性能钢筋混凝土梁柱节点抗震性能的影响。
　　根据试验现象和抗震性能特征值可看出配置高性能钢筋的梁柱节点组合体在低周往复荷载作用下，显示出良好的延性和能量耗散性能，能满足抗震设计要求。梁配筋率的增大可以显著提高梁柱节点组合体的屈服荷载和极限荷载，但会增大其屈服位移，降低其延性。增大节点核心区配箍率可增大节点的剪切刚度，减小梁柱节点的屈服位移，从而提高其延性；增大节点核心区配箍率还可提高梁柱节点的能量耗散性能。节点核心区箍筋间距越小，剪切裂缝宽度越小，间距越小。通过试验现象可发现柱顶恒定轴压力作用可延缓节点开裂时间，并使开裂方向往柱轴线方向偏离。通过对比3榀试件贯穿梁筋粘结滑移，梁筋直径越小，其粘结锚固性能越好。高性能钢筋用作节点核心区箍筋可充分发挥其屈服强度。《混凝土结构设计规范》(GB50010–2010)中规定横向钢筋用作受剪时，其抗拉强度设计值大于360MPa时应取360MPa，而HRB500E高性能钢筋的抗拉强度设计值为435MPa，可见规范规定过于保守，可能导致节点箍筋配置过剩，造成不必要的资源浪费和施工上的困难。
　　扰动应力场模型是在修正的斜压场理论上进行改进而得到的一种模型，可以考虑裂缝间的剪切滑移效应，主要用于钢筋混凝土构件中应力紊乱区的受剪分析。采用基于扰动应力场模型的自编程序对钢筋混凝土剪切板进行受剪分析，得到其抗剪强度，并与试验结果进行对比。结果表明：其抗剪强度计算值与试验值之平均比值为1.16，方差为0.11，吻合良好。从而验证了自编程序的准确性与可靠性。采用基于扰动应力场模型的自编程序对钢筋混凝土梁柱节点进行受剪分析，得到其剪切应力应变关系与抗剪强度，并与试验结果进行对比。结果表明：梁柱节点剪切应力应变关系计算结果与试验结果吻合良好，梁柱节点抗剪强度计算值与试验值之平均比值为0.87，方差为0.23，吻合较好。基于扰动应力场模型的自编程序可用于梁柱节点受剪行为分析。
　　采用OpenSees建立了高性能钢筋混凝土梁柱节点与普通钢筋混凝土梁柱节点有限元模型，模型中beamColumnJoint单元的剪切块分量可由基于扰动应力场模型的自编程序定参。通过计算将模拟结果与试验结果进行对比，梁端力–位移滞回曲线吻合良好，从而验证了所采用数值分析方法的合理性、准确性和通用性。接着对高性能钢筋混凝土梁柱节点进行了参数分析，分别研究梁配筋率、节点配箍率和轴压比对高性能钢筋混凝土梁柱节点抗震性能的影响。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.3 论文研究内容

2 节点拟静力试验

2.1 试验目的

2.2 试件设计

2.3 加载方式

2.4 试件制作

2.5 加载装置

2.6 材料特性

2.7 试验现象

2.8 测试结果

2.9 结果对比

2.10本章小结

3 节点剪切应力应变关系研究

3.1 扰动应力场模型

3.2 剪切应力应变关系求解

3.3 实例验证

3.4 参数分析

3.5 本章小结

4 节点数值分析研究

4.1 数值分析方法

4.2 实例验证

4.3 参数分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 作者攻读学位期间发表学术论文目录