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梁柱节点是框架结构中梁、柱构件连接的纽带。在地震作用下,节点核心区处于一个对角线方向受压、另一个对角线方向受拉的剪压复合应力状态,节点核心区极易发生剪切破坏,耗能能力较低。我国规范规定,框架结构设计应满足“强节点”原则,由此导致节点核心区钢筋拥挤,施工不便及混凝土浇筑不密实等问题。为了改善梁柱节点的抗震性能并便于施工,本文将纤维增强混凝土(Fiber Reinforced Concrete,简称FRC)用于框架结构节点核心区及相邻梁端、柱端,形成新型梁柱节点,对其进行了抗震性能试验研究;研究了梁柱节点核心区的受剪承载力和平均剪应力-剪应变计算模型及梁柱组合件的层间剪力-变形计算模型;并对局部采用FRC的框架结构进行了基于性能的抗震设计方法研究。主要研究内容和成果如下:
(1)完成了7个FRC梁柱节点和1个钢筋混凝土(RC)梁柱节点对比试件的拟静力试验,分析其破坏过程、破坏形态、承载力、变形能力、耗能能力、梁端塑性铰区转动能力、节点核心区剪切变形能力及柱端变形能力等。结果表明:在本文试验轴压比范围内,增加柱端轴压比,可提高节点核心区受剪承载力;FRC用于节点核心区可替代部分抗剪箍筋;增加梁端、柱端FRC区长度,可提高梁柱组合件的耗能能力;节点核心区主斜裂缝出现前,FRC梁柱组合件已具有较好的能量耗散能力和变形能力。
(2)对梁柱节点核心区的抗剪机制进行分析,认为节点核心区内存在斜压杆机制和桁架机制;分析其不同受力阶段二者抵抗的剪力占总剪力的比例,并考虑FRC应变-硬化特征,提出了节点核心区受剪承载力计算模型;根据节点核心区剪力达到最大值时的梁端纵筋应力,判断节点破坏类型;根据梁柱节点剪力达到最大值时斜压杆机制承担的剪力和桁架机制承担的剪力占总剪力的比例,将受剪承载力计算模型简化为单独的约束斜压杆模型,并通过试验数据验证了节点核心区受剪承载力计算模型和简化计算模型的合理性。
(3)根据平衡方程、协调方程和本构关系,利用MATLAB软件编程,提出了节点核心区剪应力-剪切变形计算模型,以及节点核心区开裂点、屈服点和峰值点的剪应力和剪应变计算方法,并通过试验验证所提模型的合理性。
(4)根据梁柱组合件层间侧移与节点核心区剪切变形、梁端变形和柱端变形之间的关系,以及节点核心区剪力和柱端剪力之间的关系,提出梁柱组合件层间剪力-侧移计算模型;并分析了节点核心区剪切变形、梁端变形和柱端变形引起的层间变形占层间总变形的比例。结果表明,对于节点核心区发生剪切破坏的梁柱组合件,节点核心区剪切变形引起的层间侧移是不可忽略的。
(5)根据FRC框架结构各种性能水准的侧移曲线,通过对相关数据的拟合得到不同性能水准FRC框架结构的侧移模式;根据不同性能水准结构侧移曲线及抗震性能目标,计算了结构在多遇烈度地震、设防烈度地震和罕遇烈度地震作用下的基底剪力;将地震作用效应与相应的重力荷载效应进行组合,得到构件截面组合的内力设计值,进行构件截面设计;最后对所设计的结构进行静力弹塑性分析和动力时程分析,比较FRC框架结构和RC框架结构抗震性能的优劣,并进一步验证该方法的可行性。
(4)分别选用层间最大位移角和顶点位移角作为工程需求参数,对采用性能设计方法所得的FRC框架结构和对应的RC框架结构进行了地震易损性分析。结果表明,选用层间最大位移角作为工程需求参数比顶点位移角更合理;比较了结构倒塌能力中位值,FRC框架结构抗震能力较框架结构好;给出了不同性能水准结构对应的超越概率,进一步验证了采用性能设计方法所设计的FRC框架结构的合理性和可靠性及代替普通混凝土的可行性。
(1)完成了7个FRC梁柱节点和1个钢筋混凝土(RC)梁柱节点对比试件的拟静力试验,分析其破坏过程、破坏形态、承载力、变形能力、耗能能力、梁端塑性铰区转动能力、节点核心区剪切变形能力及柱端变形能力等。结果表明:在本文试验轴压比范围内,增加柱端轴压比,可提高节点核心区受剪承载力;FRC用于节点核心区可替代部分抗剪箍筋;增加梁端、柱端FRC区长度,可提高梁柱组合件的耗能能力;节点核心区主斜裂缝出现前,FRC梁柱组合件已具有较好的能量耗散能力和变形能力。
(2)对梁柱节点核心区的抗剪机制进行分析,认为节点核心区内存在斜压杆机制和桁架机制;分析其不同受力阶段二者抵抗的剪力占总剪力的比例,并考虑FRC应变-硬化特征,提出了节点核心区受剪承载力计算模型;根据节点核心区剪力达到最大值时的梁端纵筋应力,判断节点破坏类型;根据梁柱节点剪力达到最大值时斜压杆机制承担的剪力和桁架机制承担的剪力占总剪力的比例,将受剪承载力计算模型简化为单独的约束斜压杆模型,并通过试验数据验证了节点核心区受剪承载力计算模型和简化计算模型的合理性。
(3)根据平衡方程、协调方程和本构关系,利用MATLAB软件编程,提出了节点核心区剪应力-剪切变形计算模型,以及节点核心区开裂点、屈服点和峰值点的剪应力和剪应变计算方法,并通过试验验证所提模型的合理性。
(4)根据梁柱组合件层间侧移与节点核心区剪切变形、梁端变形和柱端变形之间的关系,以及节点核心区剪力和柱端剪力之间的关系,提出梁柱组合件层间剪力-侧移计算模型;并分析了节点核心区剪切变形、梁端变形和柱端变形引起的层间变形占层间总变形的比例。结果表明,对于节点核心区发生剪切破坏的梁柱组合件,节点核心区剪切变形引起的层间侧移是不可忽略的。
(5)根据FRC框架结构各种性能水准的侧移曲线,通过对相关数据的拟合得到不同性能水准FRC框架结构的侧移模式;根据不同性能水准结构侧移曲线及抗震性能目标,计算了结构在多遇烈度地震、设防烈度地震和罕遇烈度地震作用下的基底剪力;将地震作用效应与相应的重力荷载效应进行组合,得到构件截面组合的内力设计值,进行构件截面设计;最后对所设计的结构进行静力弹塑性分析和动力时程分析,比较FRC框架结构和RC框架结构抗震性能的优劣,并进一步验证该方法的可行性。
(4)分别选用层间最大位移角和顶点位移角作为工程需求参数,对采用性能设计方法所得的FRC框架结构和对应的RC框架结构进行了地震易损性分析。结果表明,选用层间最大位移角作为工程需求参数比顶点位移角更合理;比较了结构倒塌能力中位值,FRC框架结构抗震能力较框架结构好;给出了不同性能水准结构对应的超越概率,进一步验证了采用性能设计方法所设计的FRC框架结构的合理性和可靠性及代替普通混凝土的可行性。