一种新型装配式框架结构梁-柱节点受力性能思考

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论文字数:43252 论文编号:sb2022050610030546926 日期:2022-05-26 来源:硕博论文网

本文是一篇土木工程论文,本文总结分析了国内外装配式梁柱节点的研究现状,对一种采用螺栓连接的梁柱节点进行了改进,改进后的节点主要采用螺栓+角钢+H 型钢+焊接的方式进行连接;并基于某市一座框架结构办公楼的施工图,对节点构件的尺寸和配筋进行了设计,同时设计了一组现浇节点构件和一组采用混凝土暗牛腿螺栓连接的节点构件作为对照;
第 1 章  绪论
1.1  概述
1.1.1  研究背景及选题意义
建筑业是我国的支柱型产业,随着工业和城市的发展应运而生。随着我国人口的增多,土地等相关资源的减少,在多方面的压力下,传统建筑业低效粗放的生产方式带来的问题日益严重[1],因此这种施工模式迫切需要改变[2]。近年来,装配式建造技术,是传统建筑业向绿色、节能、环保方向转型发展的推进器,在建筑工业化建设的过程中起了关键的作用。
西方很多发达国家装配式建筑的渗透率均达 70%及以上[3],而我国装配式建筑的渗透率较西方发达国家差距仍旧巨大。不过最近几年,我国为了支持建筑产业的发展,陆续出台了一些激励政策,促进建设产业供给方面的结构改革,实现了建筑产业绿色可持续发展[4]。
与传统的现浇混凝土结构相比,装配式混凝土建筑结构的优势展现在以下几个方面[5]:预制的构件质量好,预制构件大多是通过标准化的生产过程和机械化的生产方式加工而来,其产品质量易于控制,预制构件的性能比在现场现浇的更为可靠;装配式建筑在施工现场只需进行拼装作业,可提高现场施工的效率;装配式建筑遵循了绿色、环保、可持续发展的原则,混凝土构件在预制工厂内进行流水化生产,对构件材料的选择有着严格的要求,集中式的生产方式可以有效地节省资源,减少污染的排放。
1.1.2  装配式混凝土结构形式
按照装配率的不同,把装配式建筑结构形式划分成两种类型,一种是半装配式混凝土结构如图 1-1 所示,另一种则是全装配式混凝土结构[6]如图 1-2 所示。半装配式混凝土结构是把施工工序较为复杂、影响施工进度的非承重构件在预制工厂中进行生产加工,采用现浇的方式将预制构件与现场已有的构件进行连接;而全装配式混凝土结构则是所有的构件都在现场进行拼装。
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1.2  装配式梁柱节点国内外研究现状
1.2.1  国外研究现状
在国外,很多发达国家的装配式建筑技术经历了几十年的发展和广泛的应用,到现在已经逐渐趋于完善和成熟。
上个世纪 90 年代初期,国外学者 CHEOKGS 和 LESHS[11]为了对比分析混凝-梁柱湿式连接节点、干式连接节点与现浇节点性能的差异,建立了采用湿式连接节点、干式连接节点和现浇梁柱节点的足尺模型,研究分析了三种节点的性能。最后的研究结果显示:湿式连接节点的整体性好,湿式节点与干式节点较现浇式节点的刚度退化快。
上个世纪 90 年代末期,SHEN.J[12]等人分析了不同的螺栓数量和位置对耗能角钢受力的影响因素,为耗能角钢的研究提供了一种新的思路。 21 世纪初期,美国国家标准技术研究所  [13]提出了四种梁柱节点的连接形式,并且建立了采用上述四种梁柱节点连接的五层装配式混凝土框架结构的缩尺模型,研究了四种梁柱节点的性能。
2005 年美国的研究学者 Ghobarah 和 E1-Amoury[14]等人制作了多个试件并进行了相关的试验,研究了梁的截面尺寸和楼板的厚度,对装配式框架结构节点抗震性能的影响。Ghobarah 等人还研究了箍筋的数量对于节点塑性铰的影响,研究的结果表明当箍筋的数量超过一定范围的时候,边节点的塑性铰就由节点的核心区转移到了节点的外侧。
2006 年 Ozturan  T[15]等人研究了采用螺栓连接的节点和其他两种连接方式的节点在装配式框架结构中的受力性能。结果表明:采用螺栓连接的节点性能较好,其抗震性能等同于现浇节点。
2007 年 Sudhakar A[16]等人对采用钢板连接的预制装配式混凝土框架结构梁柱节点性能的影响因素进行了分析。在试验室中建立了缩尺模型,通过改变连接钢板的厚度、预制柱顶的轴压比等相关参数,得到了几组关于不同钢板厚度及轴压比下的与节点性能相关的参数。Sudhakar A 指出随着连接钢板厚度的增加,梁柱节点的耗能能力不断地增强;在一定的轴压比范围内,轴压力可以改善节点的性能。
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第 2 章  新型装配式节点构造和受力分析
2.1  装配式梁柱节点的设计思路
本文结合国内外装配式框架结构梁柱节点已有的连接方式,在金豪[42]等人提出的一种全装配式混凝土梁柱混合连接节点的基础上,对该种形式的连接节点进行了改进优化,提出了一种新的梁柱节点连接方式。
在金豪等人提出的梁柱节点连接方式中,柱子与柱子之间通过灌浆套筒进行连接,梁柱之间通过高强螺栓加混凝土暗牛腿的方式进行连接,所有的预制构件只需在工厂加工完毕后运到现场拼装即可,可有效地缩短工期。在此种连接方式中,预制的梁柱构件主要依靠高强螺栓和混凝土暗牛腿进行连接,在节点连接时由于需要对高强螺栓施加预紧力,会使节点连接处的混凝土始终处于一个受压的状态,使得企口梁内混凝土受力不均,不利于节点的承载;并且由于混凝土暗牛腿的存在使得节点的抗剪能力减弱。
因此基于上述情况,本文对该节点进行了以下的改进工作:采用普通螺栓代替高强螺栓进行梁柱节点的连接,减轻节点处混凝土的压力;将梁柱节点内原有的混凝土暗牛腿替换成 H 型钢暗牛腿,依靠 H 型钢其良好的抗剪、抗扭的性能,以提高连接节点的抗剪承载力。
改进后的连接节点可分为上下两个部分,上半部分主要通过螺栓加角钢连接的方式将企口梁上部和 H 型钢暗牛腿混凝土柱进行连接;下半部分则通过焊接连接的方式将 H 型钢与企口梁下部预埋的端板进行连接。如图 2-1、图 2-2 所示,节点通过螺栓连接和焊接连接的方式将各个连接构件可靠地连接在一起。

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2.2  装配式节点受力分析
为保证本文设计的装配式节点的承载力和相关的性能可以满足要求,本节对装配式节点的各个连接构件进行了受力分析。
2.2.1  节点整体受力分析
本文根据某框架结构中柱节点的实际受力状态,并取其反弯点处的受力进行了分析。在反弯点处,梁截面仅承受竖向的剪力,而预制柱截面承受水平方向的剪力和竖向的轴力。
由于梁柱节点实际的受力情况复杂,且本文设计的装配式节点的受力、传力主要是通过螺栓、角钢和型钢之间的相互作用来传递的,构件之间的摩擦力几乎不影响构件的受力,故在对节点进行受力分析的时候忽略了摩擦力的影响,具体的简化过程为:不考虑预制企口梁和 H 型钢上表面的之间的摩擦力;不考虑预制企口梁截面和预制柱截面相交处的摩擦力;不考虑 L 角钢和混凝土表面的摩擦力。
由于节点连接处构件较多,构件之间的相互作用力也比较复杂,为防止在受力分析的过程遗漏某一相互作用力,本文在节点连接处添加了两个参考平面,如图 2-5 所示,其中红色线段表示 1 号参考平面,绿色线段为 2 号参考平面,并且由于本文设计的梁柱节点构造对称,因此仅取节点的左半部分进行受力分析。
目前在工程中应用的型钢类型主要有两种:一种是工字型钢,另一种是 H 型钢。两种型钢的主要区别就是翼缘处的厚度,对于工字型钢来说,工字型钢翼缘的厚度存在一定的倾斜度,从翼缘的最外侧到翼缘的最内侧厚度由薄变厚,这样的构造导致工字型钢的抗扭性较差;而对于 H 型钢而言,其翼缘的厚度是一致的,翼缘内侧和外侧不存在倾斜度,抗剪、抗扭的性能较好。故本文选择 H 型钢作为代替混凝土牛腿的首选项,不仅可以提高节点在荷载作用下的承载力、抗弯性、抗剪性等相关性能,而且可以使得节点具有一定的美观性。
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第 3 章  节点构件的设计及有限元建模 ...................... 25
3.1  构件的设计 .............................. 25
3.1.1  装配式节点 1 的构件设计 ........................... 25
3.1.2  装配式节点 2 的构件设计 ................................. 29
第 4 章  模拟结果对比分析 ............................ 43
4.1  破坏形态对比分析 ....................................... 43
4.2  应力对比分析 ........................... 44
4.3  滞回曲线对比分析 ............................... 46
第 5 章  新型装配式梁柱节点性能影响因素分析 ......................... 53
5.1  轴压比的影响 ............................ 53
5.2  角钢构件的加肋设计 .................. 54
第 5 章  新型装配式梁柱节点性能影响因素分析
5.1  轴压比的影响
在其他条件不变的情况,本小节通过改变柱顶的荷载的大小,探究了轴压比为0.5、0.55、0.6、0.65、0.7 时,对节点 1 的承载能力的影响。

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由图 5-1 可知各条曲线的走势大致相同,曲线间的差异不是很大。节点处于正向荷载作用下时,当轴压比小于 0.6 时,节点的极限承载力随着轴压比的增大而增大,当轴压比大于 0.6 时,节点的极限承载力随着轴压比的增大而减小;而当节点在负向荷载作用下时,当轴压比小于 0.55 时,节点的极限承载力随着轴压比的增大而增大,当轴压比大于 0.55 时,节点的极限承载力则随着轴压比的增大而减小。故右侧可得知,轴压比对节点承载力的影响较大,之后对节点进行设计时应将此类型的节点的轴压比控制在 0.55-0.6 之间,这样才能充分展现出节点的性能。
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结论与展望
结论
本文总结分析了国内外装配式梁柱节点的研究现状,对一种采用螺栓连接的梁柱节点进行了改进,改进后的节点主要采用螺栓+角钢+H 型钢+焊接的方式进行连接;并基于某市一座框架结构办公楼的施工图,对节点构件的尺寸和配筋进行了设计,同时设计了一组现浇节点构件和一组采用混凝土暗牛腿螺栓连接的节点构件作为对照;利用有限元软件对三种节点的性能进行了对比分析,同时研究了不同影响因素对本文提出的新型梁柱节点性能的影响,得出的结论有以下几点:
(1)本文对一种采用螺栓连接的梁柱节点进行了改进,通过对节点的构造和受力性能分析,认为本文改进后的节点连接可靠,是一种较好的连接方式。
(2)通过有限元软件对三种节点的破坏形态、钢骨应力、滞回曲线、刚度和承载力、延性和耗能能力等相关性能的分析,可知:在破坏形态方面,节点 1 的破坏程度最轻,说明节点 1 具有较好的安全性和可靠性;在耗能和延性方面,节点 2 在这两方面的性能是最差的,节点 1 与现浇节点的性能相差不大;在刚度和承载力方面,节点 1 和节点 2 由于加入螺栓和型钢,使得节点的刚度和承载力较现浇节点高。综上分析可知本文改进后的节点 1 可等同于现浇节点。
(3)通过有限元软件探究了不同因素对节点 1 性能的影响,研究的结果表明,节点的轴压比不宜过大也不应过小,宜控制在 0.55-0.6 之间,这样节点才能展现出良好的性能;对角钢进行加劲肋设计可以显著提高节点承载能力和变形能力,但是劲肋并不是越多越好,过多的劲肋会导致后续螺栓安装的困难,经综合分析考虑,本节点采用单劲肋的角钢最合适;H 型钢的外伸长度和 H 型钢截面的高度也应控制在一定的范围之内,模拟的结果表明:H 型钢外伸长度宜为 250mm,H 型钢的截面高度宜为 200mm;在进行节点设计时选用强度等级较高的混凝土可提高节点的极限承载力和耗能能力。
参考文献(略)


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