混凝土异形柱节点抗震性能及有限元分析探讨

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论文字数:42544 论文编号:sb2021062613592736175 日期:2021-06-27 来源:硕博论文网
本文通过 C#编程语言对 Revit 进行二次开发,结合 Python 脚本,实现了 Revit 模型导入 Abauqs 中,现得出以下结论:(1)增大轴压比,能够提高节点梁端的极限荷载和等效刚度,但是使节点的变形能力下降,刚度退化加快,耗能能力下降。但对于 T 形节点来说,轴压比超过 0.365后,变形能力又有一定提升,J-T-ZYB-2~J-T-ZYB-5 模型的变形能力分别相比原模型减小了约 7.81%、13.28%、12.11%和 8.59%,在接近破坏时,轴压比为 0.265 的模型的耗能能力最强。对于十字形节点来说,接近破坏时,轴压比越大,模型的耗能能力越好,J-+-ZYB-3~J-+-ZYB-5 模型的能量耗散系数相比原模型分别提高约0.67%、2.11%和 4.62%。

第 1 章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义
异形截面柱简称异形柱,是指截面形状为“T”形、“十”字形、“L”形和“Z”形,且截面各肢的肢高(h)与肢厚(b)之比不大于 4 的柱。不同截面的异形柱如图 1-1所示。
图 1-1 不同截面形状的异形柱
图 1-1 不同截面形状的异形柱
混凝土异形柱结构体系是指将一般框架的矩形柱变为异形柱而构成的结构体系。
随着社会的进步和人民生活水平的提高,传统的钢筋混凝土矩形柱由于厚度与墙体不同从而易在室内出现柱棱角,既影响美观又减少使用空间。为了满足人们希望室内美观且家具可灵活布置的住房需求,上世纪 70 年代,天津市率先开始探索建筑结构合理,室内空间完整的新式结构体系,最终提出异形柱框轻结构体系。异形柱由于柱肢与墙体等宽,从而避免了棱角问题,逐步在天津市及全国各地得到推广和应用。上世纪 90 年代,天津市在此基础上编制了《框架轻型住宅设计与施工的若干技术规程》(JJG 4-90)。上世纪末,国务院颁布《关于推进住宅产业现代化提高住宅质量若干意见的通知》,在“加强新型结构技术的开发研究”专题中提出在现有住宅结构体系中增加异形柱框轻体系列。2006 年 8 月 1 日,中华人民共和国行业标准《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149-2006)颁布并实施,进一步推进了异形柱结构的发展和应用。
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1.2 框架节点的国外研究进展
1.2.1 矩形柱节点的研究进展
国外矩形柱节点的研究最早可以追溯到 60 年代初期,那时美国波士顿学者Hanson N W 和 Connor H W[1]进行了第一批梁柱节点试验,该次试验成为了节点研究的鼻祖。1971 年,Hanson N W[2]又设计了 5 个足尺梁柱节点,研究 60 级配筋时梁柱节点的抗震性能,通过与 40 级配筋对比,发现应变强化引起的抗力矩平均增加22.6%,同时发现为 40 级配筋设计的抗剪钢筋和锚固细节同样适用于 60 级配筋。
1991 年,日本学者 O. Joh 等[3]分别研究了节点处横向钢筋强度和塑性铰位移对梁柱节点刚度退化的影响,研究表明:提高节点处横向钢筋强度可以减少梁筋在节点中的滑移,提高节点开裂后的刚度,同时发现将塑性铰放置在远离柱截面的梁内,可以有效地防止节点内梁筋的粘结破坏,但由于梁内剪力不可避免地增大,在远离柱截面的塑性铰位置可能发生剪切滑移变形,因此提出了一种改进塑性铰性能的梁筋布置方法。
2010 年,法国学者 N.Attari 等[4]研究了 CFRP 层合板和 GFRP 薄板对梁柱节点的加固效果分析,结果表明二者的组合在很大程度上提高了钢筋混凝土节点的抗剪和变形能力。
2017 年,印度学者 K Prasanna[5]等将钢纤维应用于梁柱节点进行抗震研究,设计钢纤维含量为 1.5%的 M20 混凝土梁柱节点的性能,研究表明,其延性、承载力、耗能和强度相比普通钢筋混凝土节点提高约 10%。
2019 年,印度学者 Raju Sharma 等[6]将超高性能混杂纤维应用于梁柱节点进行抗震研究,提高了试件的抗震性能。试验测得加固试件达到中、轻度损伤后侧向变形能力相比普通试件提高了 14.28%。延性提高了约 21.17%。
2020 年,伊朗学者 Armin Maddah 等[7]采用角钢和后张拉螺栓进对钢筋混凝土梁柱节点进行拓展改造,制作了 4 个 1/2 缩尺的梁柱节点试件,分别考虑抗震,采用角钢和后张拉螺栓的情况,对试件进行了滞回曲线、强度、耗能、刚度折减、等效滞回阻尼和开裂模式等参数的比较,结果表明:由于剪力铰在节点核心位置的重新定
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第 2 章 T 形异形柱节点抗震性能有限元模拟

2.1 试验概述
根据实验室条件及相似理论制作了 1/2 缩尺的 T 形异形柱节点试件[19],编号为J-T,试件的几何尺寸及配筋情况如图 2-1 所示。
图 2-1 J-T 试件几何尺寸及配筋情况
图 2-1 J-T 试件几何尺寸及配筋情况
试验开始之前,首先将立方体混凝土墩放置在静态基座上,然后将球形铰链支座放置在台墩上的节点放置处,最后将试验试件放置在球形铰链支座上并通过连杆和夹具固定在反力墙上,试验时首先通过反力架刚性横梁上的竖向液压千斤顶向节点试件的柱顶施加竖向轴力,J-T 试件轴压比设计值为 0.165,柱顶轴力为 250kN,然后通过静态基座上的竖向液压千斤顶对节点梁端施加往复力。
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2.2有限元分析参数单位选择
Abaqus 软件中输入相关参数时并没有标明参数的单位,所以需要做到单位的相互统一,否则可能会导致模拟出现错误或者结果误差较大,甚至无法进行模拟计算。因此列举五组单位制[36],每组单位相互对应,如表 2-1 所示,本文选择其中的第一组国际单位制。
表 2-1 Abaqus 有限元的单位制
表 2-1 Abaqus 有限元的单位制

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第 3 章 十字形异形柱节点抗震性能有限元模拟····················· 31
3.1 试验概述·······················31
3.2 单元类型选取以及网格划分·······················31
第 4 章 混凝土异形柱节点受力机理及受剪承载力分析·························47
4.1 混凝土异形柱节点传力机构·······························47
4.2 钢筋混凝土矩形柱节点在抗震条件下的受力情况································· 50
第 5 章 Revit-Abaqus 接口开发·······················57
5.1 RevitAPI 介绍······················· 57
5.2 开发工具·································57

第 5 章 Revit-Abaqus 接口开发

5.1 Revit API 介绍
Revit API(Application Programming Interface)是 Autodesk 公司为其 Revit 系列产品所提供的应用程序开发接口,是开发者访问 Revit 内部世界的大门[51]。开发者可以通过任何与.NET 兼容的语言进行 Revit 二次开发工作,包括 C#、F#、C++/CLI 和Visual Basic.NET 等,通过使用 Revit API,可以实现:
(1)访问模型的图形数据;(2)访问模型的参数数据;(3)创建、修改、删除模型元素;(4)创建插件来完成对 UI 的增强;(5)创建插件使重复工作实现自动化;(6)集成第三方应用;(7)执行一切种类的 BIM 分析;(8)自动创建项目文档。
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结论


本文在已有异形柱节点试验的基础上,运用Abaqus进行有限元非线性分析研究,通过改变轴压比、混凝土强度和节点核心区配箍率三个抗震性能影响参数,一共设计了 26 个有限元模型,通过分析滞回曲线和骨架曲线,以承载力、位移延性、刚度退化和能量耗散为抗震性能评价指标。同时,通过 C#编程语言对 Revit 进行二次开发,结合 Python 脚本,实现了 Revit 模型导入 Abauqs 中,现得出以下结论:
(1)增大轴压比,能够提高节点梁端的极限荷载和等效刚度,但是使节点的变形能力下降,刚度退化加快,耗能能力下降。但对于 T 形节点来说,轴压比超过 0.365后,变形能力又有一定提升,J-T-ZYB-2~J-T-ZYB-5 模型的变形能力分别相比原模型减小了约 7.81%、13.28%、12.11%和 8.59%,在接近破坏时,轴压比为 0.265 的模型的耗能能力最强。对于十字形节点来说,接近破坏时,轴压比越大,模型的耗能能力越好,J-+-ZYB-3~J-+-ZYB-5 模型的能量耗散系数相比原模型分别提高约0.67%、2.11%和 4.62%。
(2)提高混凝土强度,能够提高节点梁端的极限荷载和等效刚度,但会加快刚度退化,降低耗能能力。对于 T 形节点,变形能力随之下降,混凝土强度达到 C60后对梁端极限荷载的提升效果甚微,J-T-HNT-3~J-T-HNT-5 的梁端极限荷载相比J-T-HNT-2 分别提高约 17.88%、19.54%和 20.79%,采用 C35 混凝土模型的耗能能力在加载前期最好;在达到峰值位移之后,采用 C45 混凝土模型的耗能能力逐渐变成最好。对于十字形节点,采用 C45 混凝土的原模型的变形能力最好,采用 C60 和 C65混凝土模型的耗能能能力又有稍许提升,分别相比原模型提高约 0.83%和 0.71%。
(3)提高节点核心区配箍率,对于十字形节点,梁端极限荷载提高效果要好于T 形节点,J-+-PGL-60 和 J-+-PGL-80 模型的梁端极限荷载相比原模型分别提高约12.49%和 4.00%,而 T 形节点仅分别提高约 5.48%和 2.70%。同时提高了 T 形节点的变形能力,但对于十字形节点而言,原始模型的变形能力最好。此外,同时加快了二者的刚度退化,降低了耗能能力。
参考文献(略)


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