第一章 緒論

1.1 課題研究背景和意義
現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活，構(gòu)件類型少，設(shè)計(jì)、施工簡單，是得到廣泛使用的建筑結(jié)構(gòu)類型。其梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震機(jī)理和設(shè)計(jì)方法一直是研究的熱點(diǎn)[1][2]，異型柱節(jié)點(diǎn)[3]、不同強(qiáng)度混凝土梁板柱節(jié)點(diǎn)[4][5]的抗震性能也得到深入研究。近年來，各種新型組合結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，組合節(jié)點(diǎn)的研究得到重視[6]，特別是梁端鋼纖維混凝土[7][8]、型鋼混凝土[9][10]、鋼管混凝土[11]等的梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究得到極大關(guān)注。以上研究主要關(guān)注鋼與混凝土兩種材料組合受力和變形性能，關(guān)于不拆卸復(fù)合模板混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究則鮮見報(bào)道�，F(xiàn)如今模板分項(xiàng)工程是混凝土子分部工程非常重要的一部分，其費(fèi)用要占到整個(gè)子分部工程的三分之一，它所耗費(fèi)的工期和勞動(dòng)力更是要占二分之一。模板工程大致分為木模和鋼模兩種。近年來，不拆模施工工藝逐漸發(fā)展，不拆卸復(fù)合模板具有以下優(yōu)點(diǎn)[12]：（1） 耐堿玻璃纖維網(wǎng)布使得復(fù)合模板具有較高的抗拉強(qiáng)度和變形能力，復(fù)合模板作為混凝土保護(hù)層，與混凝土形成整體，共同受力。在相同作用效應(yīng)條件下，鋼筋混凝土構(gòu)件截面尺寸和配筋設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)。（2） 節(jié)約鋼材和木材資源，滿足環(huán)境保護(hù)要求。復(fù)合模板采用水泥和耐堿玻璃纖維網(wǎng)布等原料復(fù)合制成，不用鋼材和木材。配套的組合鋼構(gòu)件需要少量鋼材，但可周轉(zhuǎn)使用。（3）當(dāng)澆筑后的混凝土強(qiáng)度達(dá)到拆模要求后，并不需要拆除模板，只要將模板上的組合鋼構(gòu)件拆除即可，而且不需要額外的裝飾工程，即可滿足使用要求。勞動(dòng)強(qiáng)度低，效率高。可見，復(fù)合模板完全可以替代鋼模板、木膠板和竹膠板，具有可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。靜力荷載作用下，不拆卸復(fù)合模板與混凝土的共同工作性能是可靠的，但是，在地震作用下復(fù)合模板與混凝土共同工作機(jī)理和性能的研究鮮少，成為推廣不拆卸復(fù)合模板技術(shù)的瓶頸。本課題結(jié)合江西省原創(chuàng)新技術(shù)，以不拆卸復(fù)合模板梁柱節(jié)點(diǎn)為研究對象，進(jìn)行擬靜力荷載作用下的破壞試驗(yàn)，研究不拆卸復(fù)合模板框架邊邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能。
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國內(nèi)外有關(guān)于永久性模板的材料主要包括以下類別： 壓型（鍍鋅）鋼板類別，擠壓成型的聚苯乙烯泡沫板類別，鋼絲（或鋼筋）網(wǎng)混凝土薄板類別，木材（或竹材）水泥板類別，纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）板類別。二戰(zhàn)結(jié)束后，德國因嚴(yán)重缺乏木材資源以及熟練技工從而將預(yù)先制作好的鋼筋混凝土薄板作為工程上永久性模板來使用。如今為保護(hù)木材資源和緩解污染危機(jī)繼而推動(dòng)了此類別模板的發(fā)展、研究及應(yīng)用[13]。而日本對這方面的報(bào)道和研究是最多的。日本小田野會(huì)社研發(fā)出了一種新工法，名為“超薄壁預(yù)制 PC 柱、梁模板工法”，即采用高強(qiáng)度（100MPa）水泥砂漿經(jīng)擠壓成型后來制作該模板，以減少該模板的厚度及自重，將工廠預(yù)制好的配有高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)增強(qiáng)的薄板運(yùn)送至現(xiàn)場，然后分別組裝成“口”字型柱模板和“U”字型梁模板，再經(jīng)支撐增強(qiáng)后進(jìn)行現(xiàn)場澆筑混凝土。日本西棲公司研制開發(fā)的水泥薄板系永久性模板類似于小田野會(huì)社的產(chǎn)品，也是采用高強(qiáng)度水泥砂漿和高強(qiáng)度鋼絲網(wǎng)來進(jìn)行預(yù)制。為了保證現(xiàn)場澆筑的混凝土能夠與預(yù)制模板形成有效的整體構(gòu)件，他們將這種薄板的內(nèi)表面制作成凹凸不平的形狀來增加混凝土與模板之間的粘結(jié)力。如今，此類新產(chǎn)品已應(yīng)用于實(shí)際工程中。日本大林公司為了讓混凝土結(jié)構(gòu)柱的預(yù)制模板能夠批量化生產(chǎn)，在生產(chǎn)工藝中運(yùn)用了流入法工藝，從而研發(fā)出了柱的預(yù)制模板，現(xiàn)在大阪市的一棟高層住宅就是采用的這種柱模板進(jìn)行施工的。除采用高強(qiáng)砂漿和鋼絲網(wǎng)以外，大成建設(shè)公司采用玻璃纖維及碳纖維增強(qiáng)預(yù)制混凝土板作為不拆卸永久性模板的材料。此外，日本模板工業(yè)公司采用甘蔗的榨渣纖維作為模板的材料。該模板的抗水性好，強(qiáng)度高，并且能夠重復(fù)使用 7 至 8 次[14]。
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第二章 邊節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

本章對不拆卸復(fù)合模板框架邊節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下進(jìn)行試驗(yàn)，依次從邊節(jié)點(diǎn)試件的破壞過程、滯回曲線、骨架曲線、耗能性能和位移延性進(jìn)行一系列研究分析，以判定不拆卸復(fù)合模板框架邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
結(jié)合試驗(yàn)條件，選取框架梁柱邊節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行模擬�？蚣艿姆磸濣c(diǎn)取在梁柱中點(diǎn)，為了能夠較為真實(shí)地模擬實(shí)際框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)受力情況,試驗(yàn)取框架上下邊柱反彎點(diǎn)、梁反彎點(diǎn)之間的“┣”字型部分作為試驗(yàn)單元，如圖 2-1 所示。不拆卸復(fù)合模板原材料主要有耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布、42.5 級低堿水泥、水、中砂，粒徑不超過 6mm 的綠豆砂、聚羧酸高效減水劑。其制備工藝為材料稱量、攪拌、布網(wǎng)及振動(dòng)成型。不拆卸復(fù)合模板應(yīng)該按照主體結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸來設(shè)計(jì)相應(yīng)的規(guī)格，，且模板的厚度應(yīng)略小于梁柱結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度。不拆卸水泥復(fù)合模板和試件的安裝如圖 2-2 所示。本試驗(yàn)在南昌航空大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行。在柱頂放置 50t 的油壓千斤頂，并接入量程為 1000kN 的力傳感器，在梁自由端頂面放置放一支 YHD─200 型位移傳感器，梁端上下各放置一個(gè)最大出力 50t 的液壓千斤頂，且各接入量程為 1000kN的力傳感器，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測梁端加載力的大小。采用 DH3818 靜態(tài)應(yīng)變儀測鋼筋應(yīng)變。加載裝置簡圖如圖 2-5 所示，加載裝置實(shí)物圖如圖 2-6 所示。
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2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞過程
不拆卸復(fù)合模板框架邊節(jié)點(diǎn)在荷載加載初期，未出現(xiàn)裂縫，試件處于彈性階段。當(dāng)荷載加載至 0.5Py 時(shí)，梁受拉區(qū)模板開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫并延長發(fā)展。當(dāng)荷載加載至 0.75Py 時(shí)，梁受拉區(qū)模板出現(xiàn)多條裂縫，此時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)模板出現(xiàn)細(xì)微裂縫。當(dāng)荷載加載至 Py 時(shí)，核心區(qū)模板出現(xiàn)數(shù)條裂縫，梁端模板的裂縫不斷發(fā)展，梁縱向鋼筋屈服。整個(gè)加載過程中模板與主體混凝土粘結(jié)良好。試驗(yàn)改由位移控制加載，當(dāng)位移達(dá)到 20mm 時(shí)，核心區(qū)模板出現(xiàn)數(shù)條平行交叉斜裂縫，且裂縫增多并變寬，模板仍未與主體混凝土脫離。當(dāng)位移達(dá)到 30mm 時(shí)，試件 A2 核心區(qū)模板邊緣翹起，試件 A1、A3 核心區(qū)模板仍未發(fā)生脫離現(xiàn)象。當(dāng)位移達(dá)到 40mm 時(shí)，試件 A2 核心區(qū)的裂縫交叉處模板脫離于主體混凝土，主體混凝土被壓碎；試件A1、A3 核心區(qū)的裂縫交叉處模板與主體混凝土共同被壓碎，僅有局部脫落，未出現(xiàn)整體脫落現(xiàn)象�？梢�，在荷載控制階段和位移控制階段初期，不拆卸復(fù)合模板與主體混凝土粘結(jié)可靠，二者能夠共同工作；在位移控制階段后期，不拆卸復(fù)合模板與主體混凝土有剝離現(xiàn)象，二者粘結(jié)破壞與主體混凝土強(qiáng)度破壞基本上同時(shí)出現(xiàn)。
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第三章 邊節(jié)點(diǎn)有限元分析...........20
3.1 有限元模型的建立...........20
3.2 邊節(jié)點(diǎn)破壞過程.......22
3.3 邊節(jié)點(diǎn)模擬結(jié)果分析.......23
3.4 試驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果對比...........25
3.5 本章小結(jié)...........27
第四章 邊節(jié)點(diǎn)抗震性能影響因素分析.......28
4.1 模型分組...........28
4.2 破壞過程與影響因素分析.......28
4.3 滯回曲線及特征分析.......32
4.4 極限承載力分析.......35
4.5 耗能能力分析...........39
4.6 位移延性分析...........42
4.7 本章小結(jié)...........45
第五章 結(jié)論與展望.......46
5.1 結(jié)論...........46
5.2 展望...........47

第四章 邊節(jié)點(diǎn)抗震性能影響因素分析

因試驗(yàn)的局限性，試驗(yàn)中無法反映出軸壓比、節(jié)點(diǎn)剪壓比和節(jié)點(diǎn)配箍量對節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，故本章采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立 9 個(gè)不拆卸復(fù)合模板框架邊節(jié)點(diǎn)模型。正交設(shè)計(jì)法能夠在較少的試驗(yàn)次數(shù)中得到較為滿意的結(jié)果，可妥善解決試驗(yàn)中所需的試件數(shù)與實(shí)際可行的試件數(shù)之間的矛盾。綜合軸壓比、節(jié)點(diǎn)剪壓比和節(jié)點(diǎn)配箍量三個(gè)影響因素對邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)加載模擬。本章分別對框架邊節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、荷載─位移滯回曲線、骨架曲線、耗能能力、位移延性等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

4.1 模型分組

對框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析時(shí)，選用三個(gè)對其抗震性能有一定程度上影響的相關(guān)因素，其中包括軸壓比、設(shè)計(jì)剪壓比、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)體積配箍率。正交設(shè)計(jì)法是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理，應(yīng)用均衡分散、整齊可比的正交理論編制的正交表來進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和綜合比較的方法[54]。綜合考慮不同因素的影響，每個(gè)因素選取 3個(gè)相關(guān)的水平。本文采用正交設(shè)計(jì)方法，建立 9 個(gè)不拆卸復(fù)合模板邊節(jié)點(diǎn)模型 L933水平因素表列于表 4-1。

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結(jié)論

本文以擬靜力試驗(yàn)來模擬地震作用，對普通框架邊節(jié)點(diǎn)和不拆卸復(fù)合模板框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)循環(huán)加載試驗(yàn)下的對比分析，利用有限元模擬不拆卸復(fù)合模板框架邊節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能，來驗(yàn)證模型參數(shù)及可行性。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了影響不拆卸復(fù)合模板框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能的 3 個(gè)因素，建立了每個(gè)因素下 3 個(gè)位級的 9 個(gè)模型。完成了 9 個(gè)不拆卸復(fù)合模板框架邊節(jié)點(diǎn)模型在不同的軸壓比、設(shè)計(jì)剪壓比、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍率條件下的有限元非線性計(jì)算分析，對滯回耗能性能、位移延性這兩個(gè)因變量進(jìn)行了極差分析和不同位級的趨勢圖，確定了不同因素對各自因變量影響程度的大小和影響趨勢。本文得出了以下研究結(jié)論：
（1）對不拆卸復(fù)合模板鋼筋混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，在荷載控制階段和位移控制階段前期，不拆卸復(fù)合模板與主體混凝土粘結(jié)可靠，二者能夠共同工作；在位移控制階段后期，部分不拆卸復(fù)合模板與主體混凝土有剝離現(xiàn)象，二者粘結(jié)破壞與主體混凝土強(qiáng)度破壞基本上同時(shí)出現(xiàn)。不拆卸復(fù)合模板框架邊節(jié)點(diǎn)和文獻(xiàn)中的耗能性能和位移延性相近， 抗震性能較好。
（2）采用 ANSYS 軟件對已完成試驗(yàn)中的不拆卸復(fù)合模板鋼筋混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬，破壞發(fā)展過程及破壞特征與實(shí)際試驗(yàn)相近，滯回曲線大致相似，位移延性相似，但數(shù)值模擬的耗能性能大于實(shí)際試驗(yàn)的，基本驗(yàn)證了模型的參數(shù)。
（3）設(shè)計(jì)剪壓比是影響極限承載力、滯回耗能性能和位移延性的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)剪壓比越大，極限承載力越大；等效粘滯阻尼系數(shù)與設(shè)計(jì)剪壓比近似成線性遞減關(guān)系，即設(shè)計(jì)剪壓比越小，耗能性能越好；位移延性系數(shù)有隨著設(shè)計(jì)剪壓比的增大而減小的趨勢，當(dāng)設(shè)計(jì)剪壓比增大到 0.241 之后，位移延性系數(shù)減小的程度有減緩的趨勢，即設(shè)計(jì)剪壓比越小，位移位移延性越好。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：52228