【摘要】：建筑业是一个能源与资源消耗巨大的产业,当前我国建筑业的生产方式主要以粗放型的现场浇筑钢筋混凝土结构为主,存在着生产效率低、工业化程度低、建筑材料损耗量大、建筑质量不稳定、建筑垃圾量大、建筑全寿命周期能耗高等问题,与国家的节能、环保政策不匹配。预制装配式结构作为一种符合建筑工业化生产的结构形式,具有优越的经济、环境、社会效益和良好的结构性能,在欧美、日本等发达国家和地区得到了广泛应用。我国建筑工业化水平相对较低,预制装配技术正处于起步阶段,有必要对预制装配式混凝土结构体系加以创新,进行深入的理论和试验研究,从而推动预制装配式结构在我国的应用和大力发展。为顺应建筑工业化的发展趋势,华汇建筑科技有限公司在其已有的预制预应力梁生产技术的基础上,联合东南大学提出了一种新型预制预应力梁装配整体式结构体系(Precast Prestressed Assembled Structural System,简称PPAS体系),PPAS体系因采用端部带连接槽钢的预制预应力梁、节点短钢管柱、密肋波纹板等相关构件,具有明显的技术优势:无支撑施工、跨度大、梁高小、使用性能好,施工便捷快速,造价省,低碳环保等特点。本文对提出的新型预制预应力梁装配整体式结构体系(PPAS体系)进行了系统的理论分析、试验研究和有限元模拟,提出了PPAS体系的系统构成及其施工方法,通过足尺中节点试验和有限元分析研究了预制预应力梁钢绞线应力释放和节点区钢绞线锚固方式对PPAS体系节点抗震性能的影响,在此基础上提出了PPAS体系更合理的节点形式和预制预应力梁相关技术,提升与完善PPAS体系框架的抗震性能,通过框架试验和有限元分析研究了改进后PPAS体系框架的抗震性能。论文的主要工作及成果如下:1.PPAS体系的系统构建。在总结已有预制装配框架结构节点连接技术与预制梁研究和应用成果的基础上,提出了新型预制预应力梁装配整体式结构体系(PPAS体系),PPAS体系的主要技术特点是无支撑施工和新型预制预应力梁的使用。PPAS体系预制预应力梁采用高强钢绞线为下部纵向受力筋,充分利用材料性能建造大跨度装配整体式框架;预制预应力梁端部部分钢绞线外套PVC套管释放应力,避免混凝土预压力过大引起裂缝;预制预应力梁端部附带连接槽钢与柱顶节点短钢管通过高强度螺栓相连快速装配形成临时受力体系承受施工荷载。2.PPAS体系足尺节点低周反复荷载试验。设计了三组新型预制预应力梁装配整体式框架(PPAS体系)足尺节点试件和一个现浇对比节点试件进行低周反复荷载试验,三组试件包括三个考虑不同预应力释放状态的PC1组试件、两个考虑钢绞线不同锚固方式的PC2组试件、两个考虑叠合板影响的PC3组试件。对节点试件进行了低周反复荷载加载试验,对试验过程、试验现象和试验结果进行了分析与研究,并与现浇节点试件进行对比。试验结果表明:PC1组各试件均具有较好的耗能能力,各试件滞回曲线饱满,正向加载骨架曲线基本相同,负向加载时骨架曲线稍有差别,随着钢绞线预应力释放数量的增加,其骨架曲线的极限荷载逐渐降低,延性性能和耗能能力均有不同程度的下降;PC2组两试件由于有不同数量的钢绞线在节点区未采用挤压锚和锚垫板相结合的高效锚固方式,只依靠钢绞线和混凝土之间的相互粘结传递荷载,试验过程中这些钢绞线发生较大滑移,钢绞线周边混凝土跟随钢绞线拔出而出现局部破损现象。PC2组两试件的滞回曲线有较明显捏缩现象,其骨架曲线呈明显弹性状态,两试件延性性能及耗能能力极差;PC3组两试件主要考虑叠合板对节点性能的影响,由于叠合梁和叠合板内普通钢筋屈服强度过高,试验过程中PC3组两试件破坏时上部普通钢筋皆未屈服,两试件的滞回曲线有捏缩现象,其骨架曲线未见明显屈服,延性性能及耗能能力都较差。3.根据抗震性能良好的PC1组三个节点试件低周反复荷载试验滞回曲线和骨架曲线建立了PPAS体系节点恢复力模型。运用OpenSEES软件对PPAS体系节点试件进行非线性有限元模拟,计算滞回曲线、骨架曲线与试验滞回曲线、骨架曲线基本接近。在此基础上,对PC1组节点进行参数化分析,考虑不同强度等级混凝土以及不同柱轴压比对节点抗震性能的影响,分析结果表明随着混凝土强度等级的提高,试件耗能能力降低,随着柱轴压比从0.3增大到0.5,试件耗能能力略有降低。4.PPAS体系框架低周反复荷载试验。在节点试验研究的基础上,针对节点试验过程中出现的预制预应力叠合梁底部裂缝数量过少、裂缝宽度开展过大的问题进行了改进,限制使用PVC套管释放预应力,增加了预制预应力梁底部的普通耗能钢筋,预制梁端部设置贯通截面键槽,设计了两榀PPAS体系框架进行低周反复荷载试验。试验结果表明PCF1试件和PCF2试件都具有良好的抗震耗能能力,PCF1试件和PCF2试件的最大层间位移角分别为4.1%和5.01%,满足抗震设计规范对于框架结构弹塑性层间位移角限值的要求;PCF1试件和PCF2试件的位移延性系数分别为4.08和4.75,满足钢筋混凝土框架抗震要求。5.对PPAS体系预制预应力梁的预应力损失进行了理论计算,并与有限元模拟结果和实测结果进行了对比;研究了预制预应力叠合梁开裂弯矩的计算方法;利用几何条件和平衡条件推导了预制预应力叠合梁端部正弯矩和负弯矩极限承载力计算公式,并与试验结果进行对比,极限承载力计算公式可以相对准确的计算PPAS体系预制预应力叠合梁极限弯矩。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.11
【参考文献】
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2689012
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