节点区柱钢管不全贯通式钢管混凝土柱-梁节点力学性能研究

摘要

钢管混凝土柱-梁节点作为钢管混凝土结构中的重要部位,有着构造型式多样化、受力复杂等特点,也存在着研究成果不系统、节点力学性能与施工便利性不能两全等问题。研究开发受力性能优良、施工方便、经济效果好的节点型式是科研和设计人员面临急待解决的课题。 本文提出了一类新型的节点区柱钢管不全贯通式钢管混凝土柱-梁节点。该节点形式的特点是柱钢管在节点区分离或在梁位开孔,保持楼层框架梁纵筋贯通节点,柱钢管在节点区的不连续而导致的轴向承载力下降通过加大节点区截面并配置环形钢筋或水平钢筋网来加强。此新型节点的优点包括：解决了以往钢管混凝土柱-混凝土梁连接节点中,连续的柱钢管使得连续梁筋难以直通的难题；节点可与任意方向的楼盖梁连接；节点区梁柱混凝土是连通的,使得节点的刚接性能得到保证；由于减少了部分的钢连接件,在一定程度上降低了结构造价,具有良好经济效益。 本文主要开展了以下几方面的创新工作。 (1)通过三批试验共44个试件来研究此类节点型式(包括三种细部构造方式)的轴压及偏压性能。试验表明,通过环向钢筋或配有水平加强钢筋网的约束,此类节点区具有较高的受压承载力和较好的延性,节点区承载力可超过钢管混凝土柱的承载力,节点方案是可行的。节点区混凝土的破坏型式为先开裂,后破坏的延性破坏过程,从开裂到破坏的过程较长。在环筋的约束下,节点区混凝土的强度一般可以高于普通混凝土立方体抗压强度,峰值应变高于普通混凝土的峰值应变；节点区混凝土的等效应力-应变曲线没有下降段或者下降段非常平缓,体现出良好的延性。随着偏心距的增大,偏压试件的极限荷载及峰值应变有减小的趋势。高度系数β对于结构承载力的影响是最大的,其影响呈非线性关系,随着β的减小,承载力的增高呈加快的趋势。配筋率ρ对于结构承载力有一定影响,随着ρ的增大,结构承载力增大,其增大量有随ρ的增大而变缓的趋势。宽度系数α对于结构承载力有一定影响,但趋势不太明显。 (2)采用参数化的线性与非线性有限元分析,对节点区的受压特性进行细致研究。有限元分析结果显示本节点类型受力与普通局压试件存在相近之处。当节点高度较高的时候,沿中轴线,在加载端附近会产生径向压应力,而一定范围外产生拉应力。但对于大部分节点高度较低的试件,节点区内中轴线全长均为压应力,整个节点核心区混凝土均处于三向受压。环向应变会导致环梁侧面产生竖向裂缝,最大值产生在侧面的中部；竖向应变会导致环梁侧面产生水平环向裂缝,随着高度的增长,竖向应变逐步由整高拉应变转变为项部拉应变、节点中部压应变。当节点高度不太低时,非线性有限元分析可以较好地模拟轴压及偏压试件的变形及极限承载力、裂缝开展以及钢筋应变分布规律。混凝土强度、钢筋配筋率及环梁宽度的提高均会使得节点的轴压承载力提高,其中混凝土强度的影响程度最大,钢筋配筋率次之,环梁宽度更次之。偏心距的增大会使得偏压试件承载力降低,配筋率的增大会使得偏压试件承载力提高。 (3)在约束混凝土理论及混凝土局部承压理论的基础上建立了此类节点受压承载力计算公式。根据多重环筋对内核混凝土的约束力逐重叠加的思路,给出了多重环筋约束下混凝土的受压承载力计算公式,再结合混凝土局压理论,引入了节点高度影响系数,给出了该种节点轴压承载力计算公式。在轴压承载力计算公式的基础上,通过引入偏心局部受压承载力折减系数及钢管混凝土偏压承载力折减系数,建立了该种节点偏压承载力计算公式。节点轴压及偏压承载力计算公式均与试验结果较为符合。表明公式在本试验环境下具有较好的计算精度。 (4)通过6个柱-梁中节点模型试件的低周反复荷载试验,研究此类节点的抗震性能。研究包括破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性系数、强度退化、刚度退化和耗能能力等内容。试验结果表明：在节点区断开的钢管内设置钢筋能有效地传递柱端弯矩,节点区周围的钢筋混凝土环梁对钢管断开部分的混凝土核心区可以形成有效的约束,通过合理的构造可以实现“强柱弱梁,节点更强”的抗震设计原则。随着梁与环梁的相对配筋率的不同,试验出现不同节点破坏形态。按“强节点”原则设计的节点,其滞回曲线较为饱满,没有很严重的捏缩现象,试件的骨架曲线在达到最大承载力后缓慢下降,呈现出延性破坏；强度退化现象不明显,环线刚度曲线呈下凹型,后期下降速率慢且趋于收敛,归一化滞回耗能也较大。而按照“弱节点”原则设计的发生环梁上破坏的节点,其滞回曲线捏缩现象很严重,骨架曲线在到达最大承载力后,下降很快,延性很差。试件的延性系数很小,加载后期强度退化现象十分严重,环线刚度曲线呈上凸型,后期刚度下降速率大且不能收敛,归一化总滞回耗能也是最小的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1钢管混凝土柱-梁节点的研究现状

1.1.1钢管混凝土柱-梁节点类型

1.1.2现有的钢管混凝土柱-梁节点的存在问题

1.2节点区钢管混凝土柱不全贯通式柱-梁节点的提出

1.3本论文研究的主要内容

1.4本章小结

第二章节点区受压试验研究

2.1概述

2.2第一批试验——可行性试验研究

2.2.1试验概况

2.2.2加载方式

2.2.3试验现象

2.2.4试验结果分析

2.2.5第一批试验小结

2.3第二批试验——节点区极限承载力试验

2.3.1试件概况及材料性能

2.3.2加载方式

2.3.3试验现象

2.3.4试验结果及分析

2.3.5第二批试验小结

2.4第三批试验——带上下柱模型试件的轴压及偏压试验

2.4.1试验概况

2.4.2加载方式

2.4.3试验现象

2.4.4试验结果及分析

2.4.5第三批试验小结

2.5本章小结

第三章 节点区力学特性的有限元分析

3.1概述

3.2节点的轴压受力特性的弹性有限元分析

3.2.1分析模型

3.2.2应力分析

3.3节点的受压受力特性的非线性有限元分析

3.3.1分析模型

3.3.2轴压状态下的分析

3.3.3偏压状态下的分析

3.4本章小结

第四章 节点区的受压极限承载力研究

4.1概述

4.2节点区受压极限承载力计算的相关研究

4.2.1极限状态节点区的受力特性

4.2.2箍筋约束混凝土相关研究

4.2.3混凝土的局部受压相关研究

4.3节点区轴压承载力计算

4.3.1节点区轴压承载力的影响因素及基本计算公式的选取

4.3.2方法一——利用Mander公式和Niyogy局压公式的承载力计算

4.3.3方法二——GB50010-2002规范基础上的承载力计算公式

4.3.4两种计算公式合理性的验证

4.4节点区偏压承载力计算

4.4.1节点区的偏压受力机理及计算公式的选取

4.4.2节点偏压承载力综合计算公式及合理性的验证

4.5本章小结

第五章低周反复荷载试验

5.1概述

5.2试验概况

5.2.1试件概况

5.2.2加载及测试方案

5.3试验现象

5.3.1试件S1

5.3.2试件S3

5.3.3试件S5

5.4试验结果分析

5.4.1破坏形态分类

5.4.2荷载-位移曲线

5.4.3钢筋应变分析

5.4.4钢管壁应变分析

5.4.5抗震性能分析

5.5反复荷载试验后的轴压试验

5.5.1试验现象

5.5.2试件的破坏形态

5.5.3试件承载力分析

5.5.4试件变形分析

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢