不拆卸复合模板框架边节点抗震性能研究

发布时间：2016-05-31 05:55

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义
现浇钢筋混凝土框架结构建筑平面布置灵活，构件类型少，设计、施工简单，是得到广泛使用的建筑结构类型。其梁柱节点的抗震机理和设计方法一直是研究的热点[1][2]，异型柱节点[3]、不同强度混凝土梁板柱节点[4][5]的抗震性能也得到深入研究。近年来，各种新型组合结构不断涌现，组合节点的研究得到重视[6]，特别是梁端钢纤维混凝土[7][8]、型钢混凝土[9][10]、钢管混凝土[11]等的梁柱节点抗震性能研究得到极大关注。以上研究主要关注钢与混凝土两种材料组合受力和变形性能，关于不拆卸复合模板混凝土梁柱节点的抗震性能研究则鲜见报道。现如今模板分项工程是混凝土子分部工程非常重要的一部分，其费用要占到整个子分部工程的三分之一，它所耗费的工期和劳动力更是要占二分之一。模板工程大致分为木模和钢模两种。近年来，不拆模施工工艺逐渐发展，不拆卸复合模板具有以下优点[12]：（1） 耐碱玻璃纤维网布使得复合模板具有较高的抗拉强度和变形能力，复合模板作为混凝土保护层，与混凝土形成整体，共同受力。在相同作用效应条件下，钢筋混凝土构件截面尺寸和配筋设计更加经济。（2） 节约钢材和木材资源，满足环境保护要求。复合模板采用水泥和耐碱玻璃纤维网布等原料复合制成，不用钢材和木材。配套的组合钢构件需要少量钢材，但可周转使用。（3）当浇筑后的混凝土强度达到拆模要求后，并不需要拆除模板，只要将模板上的组合钢构件拆除即可，而且不需要额外的装饰工程，即可满足使用要求。劳动强度低，效率高。可见，复合模板完全可以替代钢模板、木胶板和竹胶板，具有可观的经济和社会效益。静力荷载作用下，不拆卸复合模板与混凝土的共同工作性能是可靠的，但是，在地震作用下复合模板与混凝土共同工作机理和性能的研究鲜少，成为推广不拆卸复合模板技术的瓶颈。本课题结合江西省原创新技术，以不拆卸复合模板梁柱节点为研究对象，进行拟静力荷载作用下的破坏试验，研究不拆卸复合模板框架边边节点的抗震性能。
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1.2 国内外研究现状
国内外有关于永久性模板的材料主要包括以下类别： 压型（镀锌）钢板类别，挤压成型的聚苯乙烯泡沫板类别，钢丝（或钢筋）网混凝土薄板类别，木材（或竹材）水泥板类别，纤维增强聚合物（FRP）板类别。二战结束后，德国因严重缺乏木材资源以及熟练技工从而将预先制作好的钢筋混凝土薄板作为工程上永久性模板来使用。如今为保护木材资源和缓解污染危机继而推动了此类别模板的发展、研究及应用[13]。而日本对这方面的报道和研究是最多的。日本小田野会社研发出了一种新工法，名为“超薄壁预制 PC 柱、梁模板工法”，即采用高强度（100MPa）水泥砂浆经挤压成型后来制作该模板，以减少该模板的厚度及自重，将工厂预制好的配有高强度钢筋网增强的薄板运送至现场，然后分别组装成“口”字型柱模板和“U”字型梁模板，再经支撑增强后进行现场浇筑混凝土。日本西栖公司研制开发的水泥薄板系永久性模板类似于小田野会社的产品，也是采用高强度水泥砂浆和高强度钢丝网来进行预制。为了保证现场浇筑的混凝土能够与预制模板形成有效的整体构件，他们将这种薄板的内表面制作成凹凸不平的形状来增加混凝土与模板之间的粘结力。如今，此类新产品已应用于实际工程中。日本大林公司为了让混凝土结构柱的预制模板能够批量化生产，在生产工艺中运用了流入法工艺，从而研发出了柱的预制模板，现在大阪市的一栋高层住宅就是采用的这种柱模板进行施工的。除采用高强砂浆和钢丝网以外，大成建设公司采用玻璃纤维及碳纤维增强预制混凝土板作为不拆卸永久性模板的材料。此外，日本模板工业公司采用甘蔗的榨渣纤维作为模板的材料。该模板的抗水性好，强度高，并且能够重复使用 7 至 8 次[14]。
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第二章 边节点力学性能试验研究

本章对不拆卸复合模板框架边节点在低周反复荷载作用下进行试验，依次从边节点试件的破坏过程、滞回曲线、骨架曲线、耗能性能和位移延性进行一系列研究分析，以判定不拆卸复合模板框架边节点的抗震性能。

2.1 试验设计
结合试验条件，选取框架梁柱边节点试件进行模拟。框架的反弯点取在梁柱中点，为了能够较为真实地模拟实际框架结构的梁柱节点受力情况,试验取框架上下边柱反弯点、梁反弯点之间的“┣”字型部分作为试验单元，如图 2-1 所示。不拆卸复合模板原材料主要有耐碱玻璃纤维网格布、42.5 级低碱水泥、水、中砂，粒径不超过 6mm 的绿豆砂、聚羧酸高效减水剂。其制备工艺为材料称量、搅拌、布网及振动成型。不拆卸复合模板应该按照主体结构的实际尺寸来设计相应的规格，，且模板的厚度应略小于梁柱结构的保护层厚度。不拆卸水泥复合模板和试件的安装如图 2-2 所示。本试验在南昌航空大学结构试验室进行。在柱顶放置 50t 的油压千斤顶，并接入量程为 1000kN 的力传感器，在梁自由端顶面放置放一支 YHD─200 型位移传感器，梁端上下各放置一个最大出力 50t 的液压千斤顶，且各接入量程为 1000kN的力传感器，以便实时监测梁端加载力的大小。采用 DH3818 静态应变仪测钢筋应变。加载装置简图如图 2-5 所示，加载装置实物图如图 2-6 所示。
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2.2 试验现象及破坏过程
不拆卸复合模板框架边节点在荷载加载初期，未出现裂缝，试件处于弹性阶段。当荷载加载至 0.5Py 时，梁受拉区模板开始出现细微裂缝并延长发展。当荷载加载至 0.75Py 时，梁受拉区模板出现多条裂缝，此时节点核心区模板出现细微裂缝。当荷载加载至 Py 时，核心区模板出现数条裂缝，梁端模板的裂缝不断发展，梁纵向钢筋屈服。整个加载过程中模板与主体混凝土粘结良好。试验改由位移控制加载，当位移达到 20mm 时，核心区模板出现数条平行交叉斜裂缝，且裂缝增多并变宽，模板仍未与主体混凝土脱离。当位移达到 30mm 时，试件 A2 核心区模板边缘翘起，试件 A1、A3 核心区模板仍未发生脱离现象。当位移达到 40mm 时，试件 A2 核心区的裂缝交叉处模板脱离于主体混凝土，主体混凝土被压碎；试件A1、A3 核心区的裂缝交叉处模板与主体混凝土共同被压碎，仅有局部脱落，未出现整体脱落现象。可见，在荷载控制阶段和位移控制阶段初期，不拆卸复合模板与主体混凝土粘结可靠，二者能够共同工作；在位移控制阶段后期，不拆卸复合模板与主体混凝土有剥离现象，二者粘结破坏与主体混凝土强度破坏基本上同时出现。
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第三章 边节点有限元分析...........20
3.1 有限元模型的建立...........20
3.2 边节点破坏过程.......22
3.3 边节点模拟结果分析.......23
3.4 试验与有限元模拟结果对比...........25
3.5 本章小结...........27
第四章 边节点抗震性能影响因素分析.......28
4.1 模型分组...........28
4.2 破坏过程与影响因素分析.......28
4.3 滞回曲线及特征分析.......32
4.4 极限承载力分析.......35
4.5 耗能能力分析...........39
4.6 位移延性分析...........42
4.7 本章小结...........45
第五章 结论与展望.......46
5.1 结论...........46
5.2 展望...........47

第四章 边节点抗震性能影响因素分析

因试验的局限性，试验中无法反映出轴压比、节点剪压比和节点配箍量对节点抗震性能的影响，故本章采用正交试验设计建立 9 个不拆卸复合模板框架边节点模型。正交设计法能够在较少的试验次数中得到较为满意的结果，可妥善解决试验中所需的试件数与实际可行的试件数之间的矛盾。综合轴压比、节点剪压比和节点配箍量三个影响因素对边节点进行低周反复加载模拟。本章分别对框架边节点的破坏形态、荷载─位移滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、位移延性等进行了系统的研究。

4.1 模型分组

对框架边节点进行有限元分析时，选用三个对其抗震性能有一定程度上影响的相关因素，其中包括轴压比、设计剪压比、节点核心区体积配箍率。正交设计法是根据数理统计的原理，应用均衡分散、整齐可比的正交理论编制的正交表来进行整体设计和综合比较的方法[54]。综合考虑不同因素的影响，每个因素选取 3个相关的水平。本文采用正交设计方法，建立 9 个不拆卸复合模板边节点模型 L933水平因素表列于表 4-1。

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结论

本文以拟静力试验来模拟地震作用，对普通框架边节点和不拆卸复合模板框架边节点进行低周反复循环加载试验下的对比分析，利用有限元模拟不拆卸复合模板框架边节点在低周反复荷载作用下的受力性能，来验证模型参数及可行性。通过正交试验设计，确定了影响不拆卸复合模板框架边节点抗震性能的 3 个因素，建立了每个因素下 3 个位级的 9 个模型。完成了 9 个不拆卸复合模板框架边节点模型在不同的轴压比、设计剪压比、节点核心区配箍率条件下的有限元非线性计算分析，对滞回耗能性能、位移延性这两个因变量进行了极差分析和不同位级的趋势图，确定了不同因素对各自因变量影响程度的大小和影响趋势。本文得出了以下研究结论：
（1）对不拆卸复合模板钢筋混凝土框架边节点进行低周反复加载试验，在荷载控制阶段和位移控制阶段前期，不拆卸复合模板与主体混凝土粘结可靠，二者能够共同工作；在位移控制阶段后期，部分不拆卸复合模板与主体混凝土有剥离现象，二者粘结破坏与主体混凝土强度破坏基本上同时出现。不拆卸复合模板框架边节点和文献中的耗能性能和位移延性相近， 抗震性能较好。
（2）采用 ANSYS 软件对已完成试验中的不拆卸复合模板钢筋混凝土框架边节点进行模拟，破坏发展过程及破坏特征与实际试验相近，滞回曲线大致相似，位移延性相似，但数值模拟的耗能性能大于实际试验的，基本验证了模型的参数。
（3）设计剪压比是影响极限承载力、滞回耗能性能和位移延性的关键因素。设计剪压比越大，极限承载力越大；等效粘滞阻尼系数与设计剪压比近似成线性递减关系，即设计剪压比越小，耗能性能越好；位移延性系数有随着设计剪压比的增大而减小的趋势，当设计剪压比增大到 0.241 之后，位移延性系数减小的程度有减缓的趋势，即设计剪压比越小，位移位移延性越好。
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参考文献(略)

本文编号：52228