装配整体式混凝土框架角柱失效下的子结构抗连续倒塌试验研究

摘要

装配整体式混凝土框架结构因其良好的经济性能和环境效益而逐渐在工程领域得到广泛的应用，现有研究主要针对其抗震性能展开，而对其在偶然荷载作用下的抗倒塌性能研究则相对较少。因此，本文通过对装配整体式混凝土框架进行角柱失效工况下的子结构抗倒塌试验研究和理论分析，研究装配整体式框架子结构的抗倒塌性能、倒塌过程中的破坏机理及其抗倒塌机制。具体的研究工作及结论如下： 本试验共设计制作了4个1:2缩尺的混凝土框架角部区域梁柱子结构试件，包括1个现浇梁试件、2个装配整体式梁试件和1个装配整体式框架试件，在不对失效角柱节点进行额外约束的条件下，通过按位移控制的拟静力加载方式对4个试件进行单调加载。结果表明：混凝土框架角柱失效后，子结构的破坏过程为：截面开裂，受拉纵筋屈服形成塑性铰，混凝土压碎，钢筋拉断。与失效角柱相连框架梁的破坏集中在靠近边柱的梁端部位置和梁顶部纵筋截断位置，梁跨中至角柱区段未发生明显的开裂和变形。 根据抗倒塌拟静力试验结果，角区子结构的整个加载过程可以划分为弹塑性阶段、塑性发展阶段以及倒塌阶段三个工作阶段。混凝土框架角柱失效后，由于缺乏水平约束，未出现明显的压拱机制与悬索机制，结构抗倒塌的主要工作机制为空腹机制和梁机制。空腹机制的内力重分布效应在弹塑性阶段的末期达到最大，在塑性发展阶段，空腹机制的作用逐渐减弱，框架梁的受力状态与悬臂梁接近。 通过对装配与现浇、框架梁箍筋加密与非加密、框架试件与梁试件三组对比试验的结果进行对比，得到以下结论：装配整体式试件的破坏形态及荷载-位移全过程曲线与现浇试件无明显差异，装配整体式框架的抗倒塌性能可以认为等同现浇；在靠近边柱的梁端部和纵向钢筋截断位置进行箍筋加密，可以避免梁底受压钢筋的屈曲，有效提高结构的抗倒塌承载力；由于角区子结构缺乏水平约束，其抗倒塌能力对支座约束刚度的变化不敏感，框架试件与梁试件的抗倒塌能力未出现明显差异。 由于在倒塌阶段子结构未出现第二个荷载峰值点，本文重点对倒塌阶段前的结构抗倒塌能力进行了理论分析。在试验的基础上，通过合理假定，提出了考虑空腹机制的双塑性铰简化模型，推导了荷载-位移曲线上2个特征点（钢筋屈服点、承载力临界点）的承载力及位移的计算公式。用该模型来计算钢筋屈服点及承载力临界点的承载力和位移均具有较高的精度，建立以上2个特征点为转折点的折线模型，与试验荷载-位移曲线吻合较好。在该模型的基础上，研究了纵筋配筋率及纵筋截断位置对抗倒塌能力的影响，结果表明提高顶部纵筋配筋率可以提高结构抗倒塌能力；将靠近边柱的顶部纵筋截断位置延长至跨中截面，结构的抗倒塌承载力可以得到充分的发挥。

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