钢筋混凝土框架顶层异型端节点抗震性能的试验研究及有限元分析

论文摘要

随着建筑造型和使用功能的不断多样化,框架结构中“大梁小柱”及“小梁大柱”等异型顶层端节点在工程中日益频繁出现,但国内外对此类异型节点研究较少。为检验我国现行规范的设计方法及构造措施对该类型节点的适用性,该文对“大梁小柱”顶层端节点进行了如下研究:①完成了2个节点高宽尺寸比例分别为2和2.5的近足尺的平面框架顶层异型端节点组合体KYJ-1和KYJ-2的低周反复加载试验。结合之前常规节点试验,就此类节点的抗震性能、破坏模式及受力机理进行对比分析。②简要阐述了有限元基本理论;基于大型通用有限元分析程序ABAQUS中的损伤塑性模型对两个试件KYJ-1和KYJ-2在单调加载及反复加载作用下进行了有限元模拟分析,在与试验结果对比分析的基础上,考查了节点尺寸变化、混凝土强度、纵筋强度、配箍率等因素对框架顶层异型端节点受力性能的影响。综合试验结果与有限元分析可得出以下主要结论:①对比常规节点,“大梁小柱”型顶层端节点在前期的受力机理及裂缝发育特征十分相似,但在受力后期的破坏模式和受理机理有明显的不同。且梁高与柱高比例越大,这种差异越显著。主要表现在节点区破坏部位不在节点对角区域而是转移到易产生粘结破坏的节点外侧或内侧。并且后期破坏不以剪切破坏为主,而是沿着粘结破坏面形成的薄弱面发生拉压式破坏。另外,当梁的刚度比柱的刚度大到一定程度时,组合体变形及破坏有可能只集中在刚度小的柱上端附近区域。②对比常规节点,剪压比相同时,“大梁小柱”型顶层端节点组合体的承载能力往往较大,节点内的锚固钢筋尤其是直锚钢筋与混凝土的粘结更容易发生破坏,加速了节点的破坏。这也导致了这类节点比常规节点的抗震性能稍差。③对影响节点受力因素的有限元参数分析表明: 1)混凝土强度等级的提高有利于组合体承载力及延性的提高而刚度也会略有提高,但提高的程度与节点尺寸及负弯矩筋的搭接方式等有关。2)当箍筋配置较少,不足以抗剪时,节点配箍特征值对节点承载力及延性影响较大;然而当节点箍筋满足抗剪要求时,箍筋数量及强度的提高对节点组合体承载力提高不显著,但对提高延性很有帮助;3)相同情况下,纵筋采用高强钢筋,将导致节点组合体刚度下降,变形加大。4)梁柱的偏心将引起节点承载力及延性的减小。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 顶层端节点研究进展与现状
• 1.2.1 国内的研究
• 1.2.2 国外的研究
• 1.3 各国规范对抗震框架顶层端节点设计的有关规定
• 1.3.1 中国规范
• 1.3.2 美国规范
• 1.3.3 新西兰规范
• 1.3.4 欧洲共同体规范
• 1.3.5 各国规范节点抗剪承载力计算公式及最大剪压比控制条件对比
• 1.4 开展异型顶层端节点研究的方法与思路
• 1.4.1 进行试验的必要性
• 1.4.2 进行有限元分析的意义
• 1.5 本文研究目的与内容
• 1.5.1 本文研究目的
• 1.5.2 本文研究内容
• 2 异型节点抗震性能试验研究
• 2.1 试验目的
• 2.2 试件设计
• 2.2.1 材料的选取
• 2.2.2 试件的几何尺寸
• 2.2.3 试件的配筋设计
• 2.2.4 试件中采用的锚固板
• 2.3 试验加载方案
• 2.3.1 试验加载装置
• 2.3.2 试验加载制度
• 2.3.3 试验终止
• 2.4 量测内容及方法
• 2.4.1 量测内容
• 2.4.2 量测方法
• 2.5 试验主要结果
• 2.5.1 试验过程及现象
• 2.5.2 梁、柱纵筋应变分布
• 2.5.3 节点箍筋的应变值
• 2.5.4 荷载（P）－位移（Δ）滞回曲线及骨架曲线
• 2.5.5 梁下部钢筋的滑移曲线
• 2.6 试验结果对比与分析
• 2.6.1 试件主要参数及位移延性系数
• 2.6.2 试件的耗能性
• 2.6.3 试件的刚度退化
• 2.6.4 试件的承载力退化
• 2.6.5 异型节点与常规节点受力机理及破坏特征的异同分析
• 2.7 本章小结
• 3 钢筋混凝土结构有限元分析基本原理
• 3.1 钢筋混凝土结构有限元分析现状
• 3.2 钢筋混凝土结构有限元分析基本步骤
• 3.3 钢筋混凝土结构的有限元模型
• 3.3.1 分离式模型
• 3.3.2 组合式模型
• 3.3.3 整体式模型
• 3.4 混凝土的破坏准则及本构关系
• 3.4.1 混凝土的强度准则
• 3.4.2 混凝土的本构理论
• 3.4.2 钢筋的力学性能和本构关系
• 3.5 混凝土有限元分析中的钢筋与混凝土之间粘结处理
• 3.6 混凝土有限元分析中的裂缝模式
• 3.6.1 分离裂缝模型
• 3.6.2 弥散裂缝模型
• 3.6.3 内嵌裂缝单元模型
• 3.7 非线性方程组的解法
• 3.7.1 结构分析中的非线性问题
• 3.7.2 材料非线性方程组的解法
• 3.7.3 收敛标准
• 3.8 本章小结
• 4 异型节点的有限元分析
• 4.1 ABAQUS 简介
• 4.2 有限元模型建立
• 4.2.1 Abaqus 中混凝土的本构模型的选取
• 4.2.2 材料参数的定义
• 4.2.3 单元类型
• 4.2.4 粘结滑移模拟
• 4.2.5 边界条件和加载方法
• 4.2.6 网格划分
• 4.2.7 非线性方程组解法
• 4.2.8 建模时需注意的问题
• 4.3 试验与有限元分析结果对比
• 4.3.1 单向推拉模拟
• 4.3.2 反复荷载模拟
• 4.4 参数分析
• 4.4.1 截面尺寸的影响
• 4.4.2 混凝土强度等级的影响
• 4.4.3 纵筋强度的影响
• 4.4.4 箍筋的影响
• 4.4.5 锚固方式的影响
• 4.4.6 负弯矩钢筋搭接长度的影响
• 4.4.7 负弯矩搭接方式的影响
• 4.4.8 梁柱偏心的影响
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录