论文部分内容阅读
钢管混凝土组合结构具有承载力高、延性好等优点,而梁柱节点连接问题是影响钢管混凝土组合结构抗震性能的关键因素。近些年来,混凝土环梁节点作为钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接的一种节点形式受到了越来越多的关注。由于钢管在节点区断开,该节点形式保证了节点区与框架梁端的混凝土成为一体,传力路径简单明确。但由于混凝土脆性的特点,在局部压力作用下,普通混凝土环梁节点节点区混凝土开裂现象较为严重,节点的抗剪承载力相对较低。因此,为进一步提高混凝土环梁节点的承载力,解决节点开裂问题,本文在课题组前期对RECC/钢管混凝土组合柱研究成果的基础上,提出了一种适用于RECC/钢管混凝土组合柱的新型节点形式,即采用ECC代替节点区混凝土,形成RECC/钢管混凝土组合柱-RECC环梁节点。ECC是一种具有应变硬化特性和优越裂缝控制能力的高延性水泥基复合材料,其极限拉伸应变可达到3%以上,极限状态下ECC材料的裂缝宽度可控制在100μm以下。因此,采用ECC替代混凝土能够有效提高环梁节点的局部受压承载力及抗剪承载力,避免因混凝土脆性而引起的开裂和耐久性问题。本文从试验研究、有限元模拟和理论分析三方面对ECC环梁节点的力学性能进行了深入的研究。具体内容如下:（1）对ECC环梁节点进行了局部受压试验研究,并与普通混凝土环梁节点进行了对比分析,研究结果表明,在节点区用ECC替代混凝土可有效减小裂缝宽度,延长了环梁节点的正常使用极限状态。未配筋的混凝土环梁节点在局部压力作用下发生了劈裂破坏,而未配筋的ECC环梁节点保持了较高的完整性,其局部受压承载力较混凝土节点高出78%以上。相对于配筋混凝土环梁节点,配筋ECC环梁节点的延性系数可提高26.1%以上,耗能系数可提高50.7%以上,表明ECC环梁节点在局部压力作用下具有更高的延性和耗能性能。（2）基于ATENA有限元软件,对ECC环梁节点的局部受压性能进行了有限元分析,进一步揭示了ECC环梁节点在局部压力作用下的受力机理,并对试验中未涉及的其他参数进行了参数分析。模拟结果表明,当外径与内径之比在0-2范围内时,增大环梁宽度可有效提高节点的极限承载力,对于ECC环梁节点,试件设计时建议将外径与内径之比控制在2以内。（3）在拉杆拱理论模型的基础上,建立了ECC在局部压力作用下的承载力计算公式。分别基于局部受压理论和约束理论,提出了两种ECC环梁节点的局部受压承载力计算公式,两种计算模型均与试验和有限元结果吻合良好,可较好地预测ECC环梁节点的局部受压承载力。（4）通过对ECC环梁节点的三维有限元建模,分析了RECC/钢管混凝土组合柱-RECC环梁节点在轴心荷载作用下组合柱中轴向压力在节点核心区的传力机理。模拟结果表明,轴心受压荷载作用下,节点区的纵筋和附加纵筋可以有效传递组合柱中的竖向压力,节点区的环向钢筋则通过约束作用提高节点核心区的轴压承载力,附加箍筋通过约束核心区ECC的横向变形,也能在一定程度上提高节点的轴压承载力。并基于对节点轴压性能的分析,建立了RECC/钢管混凝土组合柱-RECC环梁节点的轴压承载力计算模型。（5）通过对ECC环梁节点的三维有限元建模,分析了RECC/钢管混凝土组合柱-RECC环梁节点在偏心荷载作用下组合柱中弯矩在节点核心区的传力机理。模拟结果表明,当偏心率较小时,环梁节点核心区全截面受压,钢管断开对环梁节点区受力的影响与轴压状态下相似;当偏心率较大时,节点受压侧压应力的传力机理与轴心受压构件相似,但受拉侧环向钢筋和附加箍筋应变很小,竖向拉力主要由纵向钢筋承担。并基于对节点偏压性能的分析,建立了RECC/钢管混凝土组合柱-RECC环梁节点的偏压承载力计算模型。（6）为了考察用ECC替代节点区混凝土对环梁节点抗震性能的影响,对7个RECC/钢管混凝土组合柱-RECC环梁节点进行了低周反复试验,试验参数包括基体类型、配箍率、轴压比及节点尺寸。试验结果表明,随着相对配筋率的增大,试件的破坏模式从环梁的弯曲破坏转变为框架梁的弯曲破坏。当破坏发生在环梁区时,ECC的使用避免了环梁区剪切裂缝的出现,ECC节点的承载力较混凝土节点可提高15%。当破坏发生在框架梁梁端时,在框架梁梁端使用ECC可以使梁端塑性铰充分发挥作用,极限状态下ECC试件的延性和耗能性能分别是混凝土试件的1.4倍和1.9倍。同时,增大节点尺寸和提高环向钢筋配筋率均可对ECC环梁节点的滞回性能产生积极有效的影响。（7）基于合理的材料本构关系及界面模型,对RECC/钢管混凝土组合柱-RECC环梁节点的抗剪性能进行了有限元模拟,分析了节点的受力机理,并进行了相应的参数分析。模拟结果表明,RECC/钢管混凝土组合柱-RECC环梁节点破坏时呈现出不同的破坏模式,分别为节点的剪切破坏、环梁的弯曲破坏、界限破坏及框架梁的弯曲破坏。但无论发生节点的剪切破坏还是环梁的弯曲破坏,提高环向钢筋配筋率、提高核心区箍筋配筋率、提高ECC的抗压强度及降低轴压比均可有效提高节点的抗剪承载力和环梁的抗弯承载力。（8）通过对节点传力机制的讨论,在试验和有限元分析结果的基础上,分析了ECC环梁节点的受力机理。并结合环梁节点的受力特点,基于软化拉压杆模型,建立了ECC环梁节点的抗剪承载力计算模型,利用该模型所计算的节点抗剪承载力与试验结果吻合良好,该理论模型可较好地预测ECC环梁节点的抗剪承载力。（9）基于对ECC环梁节点的试验分析、有限元模拟和理论推导,对所提出的新型RECC/钢管混凝土组合柱-RECC环梁节点的承载力计算方法及设计提出了相应建议。