新型预制装配式RC楼盖体系力学性能与抗震设计方法

摘要

新型预制装配式RC楼盖体系是一种全装配式预制RC楼盖结构体系，具有标准化程度高、生产效率高、施工速度快和技术经济效益好等现代预制RC结构的突出优点。但是由于新型楼盖力学性能的独特性决定了不能沿袭现行规范进行楼盖的承载力设计和结构的抗震设计，给本体系的推广应用提出了挑战。基于此，本文采用试验研究和理论分析相结合的方法，从预制板连接节点和楼盖体系的基本力学性能出发，重点研究了新型楼盖板缝节点的力学性能及承载力设计方法、新型楼盖体系竖向受力性能和新型楼盖平面内受力性能，探讨了新型楼盖和新型楼盖结构体系的抗震设计方法，考察了新型楼盖平面内力学特点对结构动力特性和地震响应的影响。主要内容如下:
　　 第一，开发了5种新型楼盖板缝节点，并对其进行了平面内剪力、拉力和拉剪复合作用下共21个节点的受力性能试验。结果表明:其中三种节点的承载力、延性和抗震性能均较好，是优良的板缝连接形式;对新型楼盖板缝连接件进行了细部构造的参数化分析，提出了连接构造建议;轴向拉力的存在对板缝节点的抗剪承载力有削弱作用，且拉剪比越大削弱作用越明显，建议对楼盖中高拉剪区域的连接件设计时考虑轴向拉力的不利影响;结合ABAQUS分析结果，给出了新型楼盖板缝节点承载力计算方法。
　　 第二，进行了新型楼盖1/2缩尺模型平面内受力性能的低周反复荷载试验。结果表明:新型楼盖在整个试验过程中表现出较大的平面内刚度和较好整体性，各连接件工作性能良好;新型楼盖在平面内低周反复荷载作用下的具有一定的延性，但滞回曲线捏缩效应明显，耗能能力不理想，验证了采用弹性楼盖抗震设计方法的必要性;连接件在垂直于加载方向上的内力分布基本呈相对于原点的中心对称分布，为理论分析时采用平截面假定提供了依据。
　　 第三，基于新型楼盖板缝节点力学性能试验结果和等效梁模型理论推导了新型楼盖平面内变形计算方法，并与试验实测结果进行了对比。分析表明:采用基于等效梁模型理论的计算方法计算的新型楼盖模型在弹性阶段的平面内变形值与试验实测值符合较好，所提出的计算方法能较好地计算新型楼盖在弹性阶段平面内变形值。基于等效梁模型理论，推导了新型楼盖平面内刚度的计算方法，在刚度的表达式中既包括了弯曲成分又包括了剪切成分，是一种较为准确和直接的楼盖平面内刚度计算方法。由于新型楼盖的平面内刚度有限，不能作为刚性隔板来进行结构的抗震设计。
　　 第四，进行了新型楼盖1/2模型竖向受力性能的静载试验。结果表明:新型楼盖具有较高的承载力，在整个加载过程中，新型楼盖中的梁-板连接件和板缝连接件都表现出良好的传力性能，说明新型楼盖的连接构造达到了预期效果;在均布荷载下楼盖的挠曲变形形状呈现出与现浇双向楼盖类似的“碟形”，说明新型楼盖具有双向板变形的特征;新型楼盖在竖向荷载下的跨中挠度值介于同条件下双向板楼盖和单向板楼盖跨中挠度值之间;新型楼盖跨中横板缝方向存在弯矩传递，说明新型楼盖具有双向受力性能。考虑到新型楼盖在顺板缝方向和横板缝方向的构造特点、变形和受力规律，新型楼盖可确定为正交各向异性双向板楼盖。
　　 第五，基于弹性薄板小挠度理论和正交各向异性板理论推导了新型楼盖在竖向均布荷载作用下的承载力计算公式。
　　 第六，在广泛研究国外规范中楼盖抗震设计方法的基础上提出了基于新型楼盖力学属性的抗震设计方法。同时，基于“串并联多质点系”空间振动模型提出了的多、高层建筑结构体系的抗震设计方法，该方法考虑了新型楼盖平面内实际刚度对结构的地震响应和内力分配的影响。
　　 第七，采用有限元方法进行了新型楼盖结构体系的动力特征分析。分析表明:新型楼盖增大了结构的基本周期，增加了高振型在地震响应中的参与，相比现浇结构需增加振型数目来进行结构的抗震设计计算。
　　 最后，进行了采用新型楼盖的高层建筑动力弹性时程分析，考察了结构的位移、基底剪力和楼层加速度响应，并与同条件现浇结构进行了对比。分析表明:新型楼盖结构在地震作用下发生了显著的平面内变形，并且底部楼层的平面内变形较为严重，顶部楼层的平面内变形较小;剪力墙分担的基底剪力小于现浇结构，而框架部分分担的基底剪力大于现浇结构，并且这些差异是明显的;地震作用下新型结构和现浇结构的楼层加速度相对于地面输入加速度都发生了不同程度的放大。新型楼盖结构体系的上述地震响应特点应在结构的抗震设计中给予考虑。
　　 作为一种全装配式楼盖体系，本文只做了基本力学性能的研究和抗震设计方法的探讨，付诸工程应用尚有不少需要解决的问题，文章对可能存在的问题进行了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 预制混凝土结构概述

1．1．1 预制混凝土结构的起源和发展

1．1．2 预制混凝土结构的特点与应用形式

1．1．3 预制混凝土在我国的应用

1．2 预制混凝土楼盖的应用与研究状况

1．2．1 预制混凝土楼盖的定义和分类

1．2．2 预制混凝土楼盖在国外的应用与研究现状

1．2．3 预制混凝土楼盖在国内的应用与研究现状

1．3 预制混凝士结构的震害调查分析

1．3．1 预制混凝土结构的震害调查

1．3．2 预制混凝土结构的震害分析

1．3．3 大地震给预制混凝土结构发展带来的思考

1．4 本文研究背景和主要研究内容

1．4．1 本文研究背景和问题的提出

1．4．2 本文主要研究内容

参考文献

第二章 新型预制装配式RC楼盖板缝节点受力性能试验研究

2．1 新型楼盖板缝节点抗剪性能试验

2．1．1 试件材料

2．1．2 试件设计与制作

2．1．3 加载装置和加载制度

2．1．4 测试内容与方法

2．2 新型楼盖板缝节点抗剪性能试验结果分析

2．2．1 试验现象

2．2．2 试验结果分析

2．3 新型楼盖扳缝节点抗拉性能试验

2．3．1 试件材料

2．3．2 试件设计与制作

2．3．3 加载装置和加载制度

2．3．4 测试内容与方法

2．4 新型楼盖板缝节点抗拉性能试验结果分析

2．4．1 试验现象

2．4．2 试验结果分析

2．5 新型楼盖板缝节点拉剪复合受力性能试验

2．5．1 试件材料

2．5．2 试件设计与制作

2．5．3 加载装置和加载制度

2．5．4 测试内容与方法

2．6 新型楼盖板缝节点拉剪复合受力性能试验结果分析

2．6．1 试验现象

2．6．2 试验结果分析

2．6．3 轴向荷载对新型楼盖板缝节点抗剪性能的影响分析

2．7 本章小结

参考文献

第三章 新型预制装配式RC楼盖板缝节点数值模拟分析

3．1 有限元模型参数的确定

3．1．1 混凝土本构参数定义

3．1．2 混凝土的损伤参数

3．1．3 钢材的本构关系

3．1．4 钢板与混凝土界面模拟

3．1．5 有限元模型细节

3．2 连接件细部构造的参数分析

3．2．1 发卡式连接件抗剪分析

3．2．2 发卡式连接件抗拉(压)分析

3．2．3 参数分析主要结论

3．3 新型楼盖节点抗剪性能的数值模拟

3．3．1 数值模拟结果分析

3．3．2 盖板式连接件抗剪性能的理论分析

3．3．3 新型楼盖板缝节点抗剪性能的对比分析

3．4 新型楼盖节点抗拉性能的数值模拟

3．5 本章小结

参考文献

第四章 新型预制装配式RC楼盖平面内受力性能的试验研究

4．1 新型楼盖平面内力学性能模型试验

4．1．1 试件材料

4．1．2 试件设计与制作

4．1．3 加载装置和加载制度

4．1．4 测试内容与方法

4．2 新型楼盖平面内受力性能试验结果分析

4．2．1 试验现象

4．2．2 试验结果分析

4．3 本章小结

参考文献

第五章 新型预制装配式RC楼盖平面内受力性能理论分析

5．1 研究背景及目标

5．1．1 研究背景

5．1．2 研究目标

5．2 新型楼盖平面内变形计算方法

5．2．1 基本假定

5．2．2 新型楼盖平面内变形计算方法

5．3 新型楼盖平面内变形的对比分析

5．3．1 新型楼盖模型的基本参数确定

5．3．2 新型楼盖平面内变形的计算

5．4 新型楼盖的平面内刚度

5．4．1 楼盖平面内刚度

5．4．2 新型楼盖平面内刚度计算方法

5．5 楼盖平面内刚性的讨论

5．6 本章小结

参考文献

第六章 新型预制装配式RC楼盖竖向受力性能的试验研究

6．1 新型楼盖竖向受力性能模型试验

6．1．1 试件材料

6．1．2 试件设计与制作

6．1．3 加载装置和加载制度

6．1．4 测试内容与方法

6．2 新型楼盖竖向受力性能试验结果分析

6．2．1 试验现象

6．2．2 裂缝特征分析

6．2．3 试验结果分析

6．3 新型楼盖竖向变形对比分析

6．4 本章小结

参考文献

第七章 新型预制装配式RC楼盖竖向受力性能的理论分析

7．1 新型楼盖竖向受力性能的计算方法

7．1．1 正交各向异性薄板的解析解

7．1．2 竖向均布荷载下四边简支正交各向异性板的数值解

7．2 新型楼盖的刚度计算

7．2．1 新型楼盖的抗弯刚度和有效抗扭刚度

7．2．2 新型楼盖刚度理论值与试验值的对比分析

7．3 本章小结

参考文献

第八章 新型预制装配式RC楼盖结构抗震设计方法探讨

8．1 研究背景和目标

8．1．1 研究背景

8．1．2 研究目标

8．2 新型楼盖的抗震设计方法

8．3 新型楼盖结构体系的抗震设计方法

8．3．1 新型楼盖结构体系的抗震分析模型

8．3．2 串并联多质点系的特点

8．3．3 自由振动方程

8．3．4 水平地震作用和结构的地震内力计算

8．4 新型楼盖结构体系的抗震算例分析

8．4．1 结构的模态分析

8．4．2 结构的位移响应分析

8．4．3 结构的基底剪力响应分析

8．4．4 结构的楼层加速度响应分析

8．5 本章小结

参考文献

第九章 结论与展望

9．1 本文主要结论与建议

9．2 本文的不足和研究展望

致谢

攻读博士学位期间发表和录用的论文及专利