基于STM模型变截面节点配筋设计及试验探讨

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论文字数:44565 论文编号:sb2021100914582738678 日期:2021-11-07 来源:硕博论文网
本文是一篇工程管理论文,本文针对变截面梁柱节点配筋设计,分别研究了在不同参数下的变截面节点的传力机理和内部应力迹线,并根据拉压杆模型理论建立了变截面节点的 STM 模型,提出并确定了其设计方法,初步取得了一些科研成果。

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义
在结构遭遇地震荷载作用时,结构中的节点会受到来自柱端和梁端内力的综合作用,在这多种复杂受力状态下,节点容易发生脆性破坏。由于梁柱节点起到承上启下的作用,是结构重中之重的部位,其破坏将会危及整个结构的安全。欧美等国外抗震规范[1-3]均提出了“强节点”的设计要求,在实际工程中,一般配置相当多的受剪钢筋,但这一操作会造成节点区钢筋拥堵,增加施工难度,见图 1.1。而在隔震结构中也存在此类问题。
隔震结构通常采用基础隔震,主要是指在建筑的上部结构与基础之间设置隔震层,如图 1.2 所示[4,5],从而阻隔地震力向上部结构传导,延长结构的自振周期,减少地震带来的损伤。在隔震结构中,由于隔震支座安装的需要,隔震支座的上、下支墩的截面面积通常比框架柱要大的多,因此在隔震层与上部结构连接的节点就多为变截面节点。
在隔震工程中的难点,就是对这类变截面节点的配筋设计及其施工。究其原因,第一,按照我国建筑抗震设计规范,隔震支墩的承载力验算需要采用罕遇地震下的支座底部内力,而普通的结构大都是采用多遇地震下的内力,因此导致内力要较普通结构构件大得多;第二,对于隔震上支墩而言其高度较低时等同于变截面节点,受力都不同于普通的压弯构件,节点处截面应变较为复杂,不符合伯努利假定,而目前上支墩是按照偏心受压构件进行配筋设计,这种配筋设计是建立在截面内力法(符合伯努利假定)的基础上,隔震上支墩的受力与此有较大差别,用偏心受压构件进行配筋设计显然不合理。
图 1.2 隔震结构
图 1.2 隔震结构
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1.2 国内外研究现状综述
1.2.1 隔震支墩研究现状
隔震支墩的研究有助于隔震技术的推广和发展,国内外的一些相关专家和学者均给出了相应的研究成果,给工程设计人员提供了设计依据。
李奕生[6]等人研究了隔震下支墩位移及变形后,对整个结构会产生的不利影响,也会对减小隔震支墩本身的等效水平刚度。
朱林飞[7]等依托实际工程,其着眼于实际工程中隔震支座在圆形平面下施工困难等问题,查明原因并提出采用预埋件和脚手架并用的处理措施。
邓烜[8]等人为了解决混凝土在预埋件下方浇筑不实、锚筋与构件钢筋安装冲突、预埋件及支座安装不平整、预埋件高度与支墩顶高度齐平,混凝土流动性差等问题,进行了隔震下支墩的浇筑试验。除此之外,还了研究水平及竖向地震作用下的橡胶支座与隔震支墩螺栓连接处的受力性能[9]。
尚守平[10]等人开发出新型三维复合隔震墩,并进行振动台试验。试验结果表明,其提出的三维复合隔震墩在水平向和竖向的隔震效果明显,而且设计安装简便、造价便宜,适合我国经济欠发达地区使用。隔震结构中,由于一些情况的发生需要对隔震支座进行更换,对于这种情况叶烈伟[11]等人进行了隔震支座的顶升更换试验,其详细介绍了支座更换时的技术要点。
谭平[12]等人提出新型装配式隔震节点,建立缩尺模型并进行拟静力试验。结果表明,该新型节点抗震性能良好,可在实际工程中应用。
以上学者对隔震支墩及相关连接件做了部分研究,并指出隔震支墩施工出现的问题及解决措施,但对于隔震支墩的受力及配筋问题仍没有明确的理论指导和设计步骤,还需要进一步的研究。
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第 2 章 拉压杆(STM)模型基本理论

2.1 引言
STM 模型方法最初是由 Schlaich[13,14]提出,该方法在各类混凝土结构的配筋设计中已被较为广泛的应用。现今,世界上许多国家和地区已将 STM 方法写入其现行 规范或 行 业标准中 ,如世界上 大家熟知的协会 如国际预 应力协会出 版的“Practical Design of Structure”(1996)[54]、Eurocode Ⅱ[55]和美国国家公路与运输协会出版的“AASHTOLRFD Bridge Design Specifications”[56]等,但目前这种方法在我国规范或行业标准中还处于空白。在对钢筋混凝土结构进行设计时,我国大都是以分析结构截面,计算截面内力的方法(即截面内力法)为主。当构件截面应变呈线性变化且规则、连续时采用截面内力法是比较合理的,但当截面变化不规则连续且非线性变化时,如在工程实际中梁柱节点区、牛腿、桩基承台、深梁和预应力锚固区等部位,仍然采用截面内力法对结构构件进行分析就显得不太合理甚至使结算结果与结构实际受力存在较大误差。现阶段我国对于这种不符合伯努利假定的区域,通常是局部加强构造钢筋或者根据实际经验设计来处理,但是这种做法缺乏理论依据的支撑,不是一种合理且理想的处理方法。而 STM 方法是在有限元仿真模拟的基础上,对整个结构进行分析,得到其内部应力迹线,利用应力迹线构建出合理的 STM 模型,根据拉压杆中内力进行设计,能够较好解决对复杂受力区域的钢筋混凝土结构的设计问题。
本章在结合一些学者研究成果的基础上,简明扼要的介绍了 STM 理论的设计思路、构建拉压杆模型的一般方法以及 STM 理论设计准则等内容,以便用于后文建立变截面梁柱节点的 STM 模型。
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2.2 STM 方法的设计思想与研究进展
2.2.1 设计思想
在设计人员运用“拉压杆模型”之前就已经有相关学者对其进行了研究,STM模型理论最早源于桁架模型理论并发展而来。自 1875 年以来,工程师们就开始考虑能否利用钢筋抗拉性能优越和混凝土抗压性能优越的特性建立“桁架模型”理论来设计钢筋混凝土构件。进入二十世纪八十年代后,伴随着计算机技术的发展,有限元理论应运而生,在此背景下 Schlaich 提出,设计师在对钢筋混凝土结构设计时,可以直接将建立的拉压杆模型代替原结构(即 STM 方法)。依据拉压杆模型理论,可以在钢筋混凝土结构中的受拉区域设置钢筋拉杆,而在受压区可设置混凝土压杆,各杆件之间通过节点相连。STM 模型的设计流程及思想如图 2.1 所示,在这其中所建立的 STM 模型是核心,所有的工作(包括计算、分析等)都要围绕 STM 模型展开。
2.2.3 研究进展
在 1986 年时 Vecchio[57]等提出了在主拉应变影响下对开裂混凝土压杆强度影响的计算公式。2001 年 Hindi[58]等考虑了混凝土开裂对压杆强度的影响并提出了循环荷载作用下结构的 STM 模型。2002 年 Rigotti[59]等在对深梁结构进行试验后,结合试验结果提出了斜裂缝的发展对于压杆强度影响的计算方法。2006 年 Yun[60]等提出了各类节点强度验算的统一方法。
1991-2005 年间 Priestly 课题组,在结合拉压杆模型设计理论的基础上,对节点及桥墩柱的抗震设计进行了研究[61-64]。2003 年 Ronnie[65]等人,为了计算 D 区的裂缝宽度,在拉压杆模型理论的基础上,提出了协调拉压杆模型的概念。
2000-2003 年 Liang[66-67]将 STM 模型的智能生成问题转化为连续体拓扑优化的 问 题 。 2003 年 Tjhin[68] 等 开 发 出 了 CAST 拉 压 杆 模 型 设 计 软 件 。 2003 年Mackerle[69]对混凝土薄板的拉压杆模型计算机生成相关文献进行综述。2006 年Leu[70]等利用 Liang[66-67]提出的方法,研究了关于计算机生成三维 STM 模型的相关问题。
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第 3 章 变截面梁柱节点 STM 模型建立与分析.............................16
3.1 引言....................................16
3.2 材料本构关系及滞回规则.............................16
第 4 章 变截面梁柱节点抗震性能试验方案.................................46
4.1 引言...................................................46
4.2 试验目的.............................................46
第 5 章 变截面梁柱节点拟静力试验结果及分析..........................59
5.1 引言...............................................59
5.2 变截面梁柱节点试验现象...............................59

第 5 章 变截面梁柱节点拟静力试验结果及分析

5.1变截面梁柱节点试验现象
正式进行试验前,先进行试压,将柱顶轴力加载至 150kN,观察试件无异常后,再将荷载加载至 300kN,随后对梁端作动器进行试压,防止试验过程中出现意外。由于实验室内的伺服液压作动器长时间未经保养,会导致构件左右梁数据有所偏差。
RC 构件破坏为主要为节点核心区剪切破坏,RBC1、RBC2 和 RBC3 构件主要是上柱底部与节点结合处破坏,下面对各个试件的破坏过程进行简单的阐述,最终破坏见图 5.1 所示。
试件 RC 是在传统配筋模式下的钢筋混凝土试件。在试件位移加载至 5mm 时,裂缝在梁柱相交处出现;位移加载至 8mm-9mm 时,核心区域内柱两侧开始出现横向裂缝,柱正面开始出现斜向裂缝;13mm 时节点核心区出现第二条斜向裂缝,从左上向右下趋势发展,与第一条裂缝大致对称,且该裂缝随着荷载的增加而变长变宽;随着位移的增加,裂缝逐步延伸且数量逐渐增多;位移加载至 16mm 时,核心区两条斜裂缝贯通并呈现“X”形状;位移加载至 28mm 时,节点核心区中心混凝土表面出现压碎现象(局部脱落松动面积约21c m);位移加载至 40mm 时,节点核心区裂缝持续变宽,出现混凝土剥落现象,上柱向右倾斜,节点右侧底部混凝土开始剥落,节点梁柱结合部与上柱根部裂缝继续发展(宽度约 2mm),且裂缝开始密集出现;在之后的位移循环中,裂缝宽度不断增加,并表现出了严重的混凝土剥落导致钢筋裸露现象,试验在位移加载 60mm 时结束。
图 5.1 试件最终破坏图
图 5.1 试件最终破坏图
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结论与展望

结论
本文对变截面梁柱节点配筋设计及抗震性能进行研究,针对变截面梁柱节点的配筋设计和研究现状中的不足之处,从节点的力学性能及传力机理和配筋设计等做了分析和研究,并设计构件进行拟静力试验来验证 STM 配筋设计的优劣性。主要结论归纳如下:
(1)应用 ABAQUS 有限元软件对变截面梁柱节点进行仿真模拟分析,分别从柱端轴压比、混凝土强度、核心区配箍率和纵筋配筋率等不同参数下建立了 16个有限元模型,得到其应力迹线及应力分布。分析得变截面梁柱节点传力机理主要是,柱端扩散传递而来的压应力进入节点核心区时,沿对角线方向传递,扩散至梁柱结合部(即下柱边缘)再沿下柱边缘向下传递,压应力在节点中呈现出沿对角线传递形成“斜压杆”。
(2)根据变截面梁柱节点的传力机理结合其内部应力迹线,根据拉压杆模型理论中的应力迹线法建立变截面梁柱节点 STM 模型,并根据拉压杆内力进行配筋设计研究,提出了基于 STM 模型的三种配筋设计思路。第一种配筋设计思路为“总和法”, 该方法将模型内杆件上的力都视为钢筋应承担的力,对各杆件上的力叠加来进行配筋设计;第二种配筋设计思路为“最大值法”,该方法按照节点区内最大轴力处的杆件内力来配置钢筋;第三种设计思路为“分部设计法”,该方法根据节点区 STM 模型中各杆件位置处的轴力来布置钢筋。
(3)对采用不同配筋设计思路的构件进行拟静力试验,分析试验结果得出,采用“总和法”、“最大值法”和“分部设计法”配筋构件较传统配筋(RC)构件延性系数分别提高 40.1%、42.3%和 46.3%,耗能能力较 RC 构件分别提高18.4%、11.5%和 23.5%,且刚度退化速度较慢。
(4)综合试验结果可以得出,“分部设计法”配筋构件在延性性能,耗能能力、刚度退化等方面均优于其他构件,表现出较好的抗震性能。因此,在基于变截面节点 STM 模型的“分部设计法”即按照本文建立的 STM 模型中各杆件位置处的轴力来配置钢筋更符合工程实际和结构抗震要求。在进行变截面梁柱节点配筋设计时,可按照本文提出的基于 STM 模型“分部设计法”进行配筋设计,本文的研究成果为变截面梁柱节点配筋提供了设计方法和理论依据,为修订相关规范提供了一些参考价值。
参考文献(略)

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