钢筋混凝土板柱冲切性能试验研究与理论分析

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由于具有增加建筑使用空间、管道布置灵活和经济性好等优点,钢筋混凝土板柱结构体系在民用和工业建筑中得到广泛使用。板柱节点由于需要在板和柱之间传递轴力和弯矩,往往产生较高的剪应力,设计人员必须考虑节点处的承载力和延性要求,防止出现脆性冲切破坏。可以采用配置箍筋、弯起钢筋或其他形式的抗冲切钢筋来提高节点的受冲切承载力。然而,在相对较薄的平板中箍筋的施工颇为不便,弯起钢筋的覆盖范围有限。按照设计规范的指导思想,当有可靠依据时,可采用栓钉作为抗冲切钢筋。为抗冲切栓钉在实际工程应用提供依据,本文对采用栓钉抗冲切的钢筋混凝土板柱节点完成以下研究工作:
  (1)配置栓钉的钢筋混凝土单向板受剪性能试验研究。设计完成3组6个钢筋混凝土单向板柱节点受剪试验,研究抗剪栓钉对板的破坏形态和受剪性能的影响,主要参数为抗剪栓钉间距、高度和板的剪跨比。通过对失效模式、荷载-位移曲线、混凝土和钢筋以及栓钉的应变等试验数据分析,基于破坏时抗剪栓钉对承载力和斜裂缝改善程度,将试件失效模式区分为栓钉群内和群外进行比较,结果表明:配置抗剪栓钉可有效改善失效模式,降低破坏时的脆性程度,但不同剪跨比试件改善程度存在较大差异,特别是对剪跨比较小的钢筋混凝土单向板影响更为显著。结合相关国家设计规范计算结果与试验数据进行对比分析,对不同剪跨比的钢筋混凝土板给出设计建议。
  (2)栓钉在钢筋混凝土板柱节点中的有效性试验研究。完成12块配置抗冲切钢筋的板柱节点试验,其中3块配置封闭箍筋试件,2块配置U形箍筋试件和7块配置栓钉试件,主要参数为抗冲切钢筋类型及间距、纵筋配筋率、栓钉直径、栓钉高度、栓钉强度和布置方式等,采用静力加载方式来模拟配置抗冲切钢筋的中间板柱节点破坏全过程,通过对比分析试验结果,探讨不同类型抗冲切钢筋对提高板的承载力贡献,结果表明配置栓钉对提高试件性能更加有效。基于配置栓钉的钢筋混凝土板柱节点的多参数试验结果,剖析栓钉参数变化对破坏机理的影响规律。进而结合相关规范计算结果和试验结果进行对比,验证试验结果的可靠性。
  (3)栓钉在复杂应力状态下的钢筋混凝土板柱节点试验研究。设计完成3块分别配栓钉(试件PSDB)、封闭箍筋(试件GB)和U形箍筋(试件PUB)的钢筋钢筋混凝土板柱节点在竖向荷载和偏载共同作用下受冲切试验,通过对比分析失效模式和荷载、变形相关数据,基于破坏时配不同抗冲切钢筋的试件残余荷载明显差异,提出由于配栓钉试件在失效后远离偏载侧混凝土保护层保持完好,该侧纵向钢筋对混凝土破坏严重的偏载侧具有悬挂作用机理,有助于提高复杂应力状态下发生大变形时板柱节点的安全储备。基于相关设计规范对试验结果的安全性进行了评估。
  (4)建立了两种不同受力工况下钢筋混凝土板柱节点非线性有限元模型,基于ABAQUS程序进行了分析,揭示了板柱节点冲切破坏过程中内部应力和裂缝发展的全过程,分析了栓钉参数对其抗冲切承载力和变形的影响,对比分析有限元分析结果与试验结果,发现两者吻合良好,表明采用有限元方法预测板柱节点冲切性能是可行的。
  (5)结合国外内文献及本文已完成的试验,总结了栓钉构造设计要点,提出配栓钉钢筋混凝土板柱结构的承载力建议公式,并结合文献中试验和本文试验结果对建议公式进行了验证,结果显示建议公式具有一定安全储备且离散性较小,该方法是可行的;进而提出配栓钉混凝土板的设计流程图。
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