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由于高强混凝土和泵灌混凝土技术的发展,力学性能优越的钢管混凝土柱在高层建筑中得到广泛应用。除了钢梁外,我国钢管混凝土结构体系中也采用钢筋混凝土梁,相应的柱和梁连接节点的设计成为推广这类结构的关键之一。与传统框架梁柱节点不同,构件(钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁)性质的不同造成了相应连接节点的复杂性。寻求一种抗震性能好且施工制作简便的钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁连接节点成为亟待解决的问题。
本文从传力机理上对目前工程中使用的连接节点进行了分类,其中抗剪设计分为内部法和外部法,抗弯设计分为直接法和间接法。由于施工制作简便,采用内部法抗剪和间接法抗弯的环梁式节点受到极大关注。该节点在节点区钢管柱上焊接环肋(螺纹钢或方钢),同时紧贴钢管柱设置封闭的外包钢筋混凝土环形梁以连接框架梁,依靠环梁、环肋和柱之间的相互作用来传递梁端弯矩和剪力。本文以环梁式节点为研究对象,在评述研究现状的基础上,进行了试验研究和有限元分析,深入探讨了传力机理,提出了环梁设计方法。
首先设计了空间框架梁柱节点抗震试验系统。该系统采用梁端主动加载模式,即通过梁端连接的推拉油压千斤顶主动施加竖向剪力;设置柱端空间球铰支座和梁端套箍式球铰支座以模拟实际结构中的反弯点;选用各梁端推拉油压千斤顶油路连通的加载规则;提出试验数据处理方法,即将各梁端荷载-位移曲线转换成一条宏观曲线以反映试件整体受力性能。
接着利用自主研发的试验系统对环梁式节点进行了伪静力加载,试验研究参数为节点形式、环梁配筋量和节点构造。通过荷载-位移曲线分析了节点抗震性能,结果表明,环梁必须配置足够的纵筋和箍筋以传递外荷载,两者缺一不可;内柱、边柱和角柱节点性能差异不明显;环梁和框架梁交界处采用圆弧过渡并配置过渡筋的改进措施,对节点受力性能影响较小。基于钢筋应变曲线和破坏模式分析了环梁受力特点,结果表明,虽然轴拉力为环梁主要内力之一,但环梁内力和环梁内壁-钢管混凝土柱外壁相互作用沿圆周方向呈现不同特点,当相邻框架梁端弯矩方向相同,则该区域环-柱相互作用较强,环梁截面绕竖直轴弯矩M2作用明显,当相邻框架梁端弯矩方向相反,则该区域环-柱相互作用较弱,环梁截面扭矩Tx和绕水平轴弯矩My作用明显。定性分析表明,在传递梁端弯矩和剪力时,环梁内壁和钢管混凝土柱外壁会产生挤压作用,同时环梁自身产生复杂的内力,即拉、弯、剪和扭的组合。
为了弥补试验研究参数的不足,利用有限元软件Patran/Marc进行了非线性单调加载分析,补充参数包括外荷载性质、楼板、轴压比和钢管柱直径。根据受力特点和几何构型,划分了环梁关键截面和相应的环-柱相互作用区域,定义了反映环梁内力和环-柱相互作用特点的特征参数以及关键截面内力系数。数值分析结果表明,与竖向荷载相比,水平荷载作用下,环梁截面轴拉力Nx和竖向剪力Vy均会显著增大;楼板参与受拉时,环梁截面轴拉力会显著降低:轴压比对节点受力无不利影响;钢管柱直径会影响到节点整体受力性能和环梁内力特点。环梁关键截面内力随环梁宽度与钢管柱直径的比值呈较强的线性变化趋势。
试验研究和有限元分析表明,环梁应按组合内力进行配筋设计。为方便工程使用,提供了竖向和水平荷载作用下的环梁截面内力计算表格,并对其中的轴拉力和弯矩方向进行了着重说明。结合传力机理分析,给出了环梁实用设计方法。
最后,提出了有待进一步研究的问题。