预制混凝土剪力墙塑性铰区力学行为、性能提升及计算方法研究

摘要

剪力墙结构常常作为一种经济有效地方式来抵抗水平地震作用和风荷载产生的水平荷载，一般用作建筑水平受力的第一道抗震防御系统。装配式混凝土结构作为新型建筑工业化发展的方向，众多学者开展了预制装配混凝土结构的研究工作，预制混凝土剪力墙抗震性能的关键在于节点塑性铰区的连接和接缝的力学性能。此外，随着钢材冶炼技术的发展，高强钢筋在建筑工程中应用逐渐增多。考虑到以上情况，本文结合国家“十三五”重点研发计划——装配式混凝土工业化建筑高效施工关键技术研究与示范，以及国家“十二五”科技支撑计划——新型预制装配式混凝土建筑技术研究与示范前期研究任务与相关试验结果，继续对预制混凝土剪力墙结构接缝相关构造的纯剪和弯剪力学性能、塑性铰区采用传统灌浆套筒连接和微预应力高强钢筋等预制剪力墙的抗震性能进行研究，并提出相应的理论或计算分析方法。论文的主要工作如下： 1.试验研究了传统灌浆套筒对接连接预制混凝土剪力墙的抗震性能，并研究了灌浆套筒对塑性铰区变形的影响。为此设计制作了四片足尺剪力墙构件，其中一片现浇构件，三片预制构件。预制构件的接缝坐浆层分别采用了实心普通混凝土（单点灌浆）和聚合物混凝土与高强灌浆料（塞封连通灌浆）的组合。此外，其中一片预制构件的纵向钢筋在基础底座使用了无粘结段期望增加结构的变形和耗能能力。结合试验结果探讨了灌浆套筒预制混凝土剪力墙结构的破坏模式和破坏过程、裂缝开裂模型、滞回性能、耗能能力、结构刚度退化、以及剪力墙底部塑性铰区的曲率分布等。结果表明，坐浆层强度较高的灌浆套筒剪力墙具有较好的抗震性能，但是初期刚度、开裂荷载和延性系数仍然略低于现浇构件。 2.研究预制接缝的直剪性能。试件的参数包括接缝形式（平接缝和剪力键接缝）和剪力键的数量等，并研究了干式接缝和涂环氧树脂胶接缝承载力的差异、接缝处配置高强插筋时性能以及施加的侧向力的大小对接缝抗剪的影响。试验获得了不同形式的接缝的抗剪承载力和刚度，并采用了AASHTO规范设计公式、Rombach建议的公式和中国《装配式混凝土结构技术规程》设计公式对以上几种接缝的抗剪承载力进行了计算分析，并根据试验结果提出了相关的抗剪承载力计算公式。 3.针对混凝土接缝以及常见的开裂模式，通过裂缝界面力的平衡关系、几何相容性方程和材料本构关系提出了纯骨料咬合作用的混凝土开裂模型；并根据钢筋混凝土裂缝界面局部应力场模型，得到了钢筋轴向和销栓作用与均布应力的关系，然后通过裂缝变形的几何关系将钢筋的粘结滑移和销栓作用计算公式和骨料咬合作用结合起来。最后利用提出的混凝土开裂模型对经典的Walraven相关试验构件进行了模拟和分析。 4.模拟剪力墙接缝的受力模式，提出以混凝土梁的形式设计制作了剪切和弯曲两种破坏模式的预制构件，并对其进行了四点加载。接缝的型式为环氧树脂胶剪力键。试验构件纵向钢筋分别采用了普通连接钢筋、非预应力高强钢筋、预应力高强钢筋等形式，研究此类预制接缝在最大剪力和最大弯矩共同作用下的力学性能，分析构件在静力荷载下的破坏过程和破坏模式、荷载-挠度曲线和破坏区的局部变形行为，结合各项试验结果得到了高强钢筋的预应力对结构和接缝弯剪性能的影响。 5.针对传统连接方式的预制剪力墙可能存在的问题，并在以上接缝直剪和弯剪试验的基础上，提出在预制混凝土剪力墙塑性铰区采用微预应力高强钢筋连接，以改善结构的性能，并研究其在低周反复荷载作用下的抗震性能。试验构件除了现浇对比构件之外，另有相同尺寸并配置普通纵向受力钢筋、非预应力高强钢筋以及预应力高强钢筋的三个预制构件，高强钢筋采用630MPa级钢筋。预制墙底部接缝采用了环氧树脂胶剪力键，以提高接缝的受力性能。分析讨论了高强钢筋对剪力墙构件的承载力、开裂模型、延性、滞回性能、结构的耗能能力、刚度退化以及剪力墙塑性铰区分布等的影响，并与现浇构件和普通钢筋预制混凝土剪力墙进行对比。 6.根据试验构件的相关尺寸提出一种三层拉-压杆模型，用于计算混凝土剪力墙受力最大处的塑性铰区的承载力，并在考虑约束混凝土强度的情况下得到拉-压杆模型计算分析过程。同时，由等压线的思路研究了瓶形压杆压力的扩散，得到等压线横向应力的分布。最后根据剪力墙自身的特点分析剪力墙拉-杆模型中斜压杆的横向拉力及需要配置的受拉钢筋数量。 7.提出了一系列用于计算水平荷载作用下，塑性区采用不同连接形式（现浇和预制）的钢筋混凝土剪力墙荷载-位移行为计算过程。分别对剪力墙的弯曲、剪切和底部钢筋粘结滑移引起的侧向变形单独计算，随后由相容性等条件考虑它们之间的相互影响。弯曲变形行为主要通过传统的纤维截面单元来分析；剪切变形主要基于修正斜压场理论（MCFT）。三者的相互作用则通过代表三者的弹簧的串连作用来考虑。此外，本章基于材料的断裂能，提出了一种用于计算塑性铰长度的方法，结构的塑性铰长度由能量平衡的关系推导出来。对于塑性铰区采用搭接连接的剪力墙，也提出了一种方法用于处理搭接连接在塑性铰区复杂的受力行为和变形。最后，对塑性铰区采用灌浆套筒和微预应力高强钢筋连接的剪力墙的变形性能进行研究。研究过程中基于双线性弹塑模型，提出了灌浆套筒连接的等效应力-应变本构关系，用于简化计算此类剪力墙的侧向变形。以上提出的模型或者分析过程，通过对比分析结果和试验结果验证了其有效性。

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