考虑楼板效应的干式连接装配式混凝土结构抗震性能研究

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我国自本世纪提出建筑工业化发展方向以来,装配式建筑在国内整体建筑数量所占比例不断上升,装配式建筑使得整个建筑业未来逐步走向绿色化、高性能化、信息化、自动化,体现了其为建筑工业化践行绿色发展之路作出的重要贡献。现有的装配式结构可以根据梁-柱的节点核心区是否存在现浇混凝土分为“湿式”连接装配式结构和“干式”连接装配式结构。在装配式发展早期,“湿式”连接结构因为其等同现浇等优秀性能被广泛研究和应用,然而在新的绿色化、信息化、自动化时代,“湿式”连接装配式结构在施工现场依然存在湿作业,而“干式”连接装配式结构则可以更为高效地在现场进行组合拼装,进一步将装配式建筑的特性发挥到极致,是未来建筑工业自动化发展的必要建筑形式。由于“干式”连接装配式结构在梁-柱核心区具有多种连接方式,现有的关于“干式”连接装配式节点研究主要聚焦在各类连接形式的节点性能试验上,相对而言,其理论体系和设计规程和方法、工程应用等均不够完善,针对该类节点及结构的抗震性能分析及地震易损性分析等相关研究还有待开展;其次,由于核心区的连接形式与一般现浇或“湿式”结构的组成原理的不同,楼板效应在该类节点和结构中提供的力学行为影响和位移响应的影响尚为未知,而现有的研究鲜少考虑楼板对其抗震性能的影响。基于以上两个研究不足的基本要点,同时也作为研究目的,本文拟在考虑楼板效应的影响下对“干式”连接装配式混凝土结构的抗震性能展开相关研究和分析,所涉及的主要内容和结论如下:1)基于清华大学陆新征团队在Open SEES平台上所开发的分层壳单元,结合现已有不考虑楼板的二维“干式”连接混凝土节点的建模方法,本文新提出了一种三维考虑楼板的“干式”连接节点的建模方法,并通过两篇已有的文献中五个试件对应的试验数据,针对节点试件的滞回曲线所体现的各类抗震性能指标进行了对比和讨论,验证了该类建模方法的有效性;并且根据模拟的结果,提出楼板对于该类预应力连接的节点性能产生了材料的不对称效应,尤其体现在边节点的预应力轴力发展过程、节点自复位能力、梁端上下部分的混凝土弹塑性发展趋势、节点整体的耗能能力等方面,指出不考虑楼板在该类节点中的作用可能错误估计边节点的各项性能指标;2)基于上述提出的三维建模方法,以已有文献试验中A2试件为参考试件,选取楼板的厚度、宽度和配筋率三项指标进行了参数分析,结果表明楼板厚度和宽度对结构的刚度、耗能能力和承载力影响显著,配筋率影响相对较弱。但除此之外,在楼板厚度超过现有混凝土规范规定的有效翼缘宽度后,其对节点各项指标的影响也大幅降低;3)指出前文所提出的三维考虑楼板建模方法在编程建模、计算效率和计算收敛性三个方面的局限性,为后续能够进行“干式”连接装配式结构的整楼模型分析,根据参数分析的相关结果,进一步提出了一种简化的T形纤维截面建模方法,并根据相关实验数据对比验证了其有效性;4)参考日本压着工法与潘鹏等人提出的节点形式,分别设计了5层和10层的预应力连接“干式”装配式混凝土结构,并根据是否考虑楼板,分为5F/5F-slab和10F/10F-slab四个模型,采用前文所提出的简化建模方法进行结构建模。而后依次对这四个模型进行结构的模态分析、pushover分析、多遇和罕遇地震下的时程分析,并以最大顶层位移、最大层间位移角和残余层间位移角等指标进行了对比分析,结果指出该类结构可以较好地符合现有规范的抗震能力弹塑性要求,具有良好的自复位能力;并且不考虑楼板的整楼模型可能低估结构整体的承载力和刚度,错误估计结构各振型的自振周期,错估地震动响应的幅值和幅值出现的时间点、结构较为薄弱的楼层位置,以及该类结构的自复位能力等;5)基于动力增量分析方法(IDA)得出该类结构各个模型的IDA曲线,对比分析了多、高层结构在考虑和不考虑楼板的条件下的16%、50%和84%的IDA分位曲线,结果显示,考虑楼板的模型拥有更优的计算可靠性,较不考虑楼板的模型而言在同一IM指标下更难进入塑性发展;并通过IDA分析的相关数据结果和地震易损性分析原理,对DM和IM指标进行了对数处理和线性回归分析,根据回归系数得到了各个模型的易损性分析曲线,结果表明考虑楼板的结构模型在不同的性能水准限值下拥有更低的超越概率,即有着更高的安全冗余度,且不考虑楼板的结构模型可能对其在大震作用下的自复位能力产生错估。
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