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《哈尔滨工业大学》 2007年
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预应力内置灌浆方钢管桁架混凝土组合梁基本问题研究

张格明  
【摘要】: 随着我国建筑业从“以新建为主”向“新建与改建并重”的过渡,既有房屋的套建增层改造呈现出异彩纷呈的局面。为确保在套建增层施工过程中原房屋的正常使用,避免套建增层荷载在施工过程中传至原建筑屋盖,提出了“施工阶段自承重现浇混凝土楼盖结构”的设计思想。该思想的核心内容之一是:新增套建一层顶框架梁采用预应力内置角钢桁架混凝土组合梁,通过在预应力钢桁架的下侧挂底模,并以底模为支承设置侧模,来实现在浇筑混凝土过程中由预应力钢桁架承担流态混凝土自重和施工荷载,在使用阶段预应力内置钢桁架混凝土组合梁与外套框架柱通过节点连接成整体,形成外套框架承担新增荷载。 预应力内置角钢桁架混凝土组合框架梁的弦杆角钢边长较大,当与柱连接时造成了柱纵筋、梁中预应力束及喇叭管布置不便,同时也不便于在下弦杆内侧按直线布置预应力筋的张锚。为了避免这些问题,提出了用灌浆方钢管桁架代替角钢桁架的方案,当弦杆壁厚相同时,可使桁架弦杆方钢管边长较原弦杆角钢边长减小约50%,从而方便了框架柱纵筋布置,而且桁架弦杆还可作为预应力筋张拉孔道,方便了预应力筋的张锚。若以内置方钢管桁架代替内置角钢桁架就形成了“预应力内置灌浆方钢管桁架混凝土组合梁”。 桁架的设计中节点是关键,要满足“强节点、弱杆件”的设计要求。目前针对方钢管节点的研究主要是针对空钢管结构,若在桁架弦杆中灌浆,会提高弦杆压陷承载力和直剪承载力,虽然没有明显提升节点冲剪破坏承载力,但可推迟由节点变形所控制的极限状态。为了弄清灌浆方钢管节点的受力特点和破坏特征,本文对15个T型、8个N型灌浆钢管节点进行了静载试验,T型节点试验考察的主要参数为杆件的边长比和主管上轴力的大小和性质,N型节点试验考察的主要参数为杆件的边长比。 建立了灌浆方钢管桁架节点非线性有限元分析模型,模型中钢管、管内水泥石以及钢管与水泥石界面分别采用壳单元、三维实体单元和接触单元来模拟;钢管和水泥石采用实测的弹塑性本构模型,接触面采用库仑摩擦定律的本构关系。对方钢管T型与N型节点试验进行了扩参数分析,有限元计算结果与试验结果吻合良好。基于试验结果与计算结果,提出了灌浆方钢管压陷承载力计算公式,以满足T型和N型受压节点按主管(桁架弦杆)压陷破坏模式进行计算的要求;提出了N型受拉节点按冲剪破坏模式和有效宽度破坏模式的计算公式;引入了节点主管按直剪破坏模式的计算公式。 施工阶段灌浆钢管桁架性能得到有效的保障之后,为了在抗震区应用预应力内置灌浆方钢管桁架混凝土组合梁,采用拟静力的方法对5根简支预应力内置灌浆方钢管桁架混凝土组合梁开展了滞回性能试验,主要参数为综合配筋指标β0、预应力度λ和塑性铰区配箍率ρsv。通过试验研究了试件的破坏形态、滞回特性和耗能能力等重要抗震性能指标,结果表明:β0对试件的滞回性能影响明显,当β00.2时,试件的位移延性达到4左右,并且滞回曲线饱满、具有较好的耗能能力:而λ主要影响滞回环的饱满程度,对延性有一定影响,但不如β0显著;增加塑性铰区配箍可以增大混凝土极限压应变,提高组合梁延性。 基于纤维模型法,编制了非线性数值模拟程序,对5根试验梁的滞回性能试验进行了全过程模拟,有限元计算结果与试验结果总体上吻合较好。在试验研究的基础上对组合梁的滞回性能进行了大量的参数分析,全面分析了β0、λ、ρsv和荷载类型等因素的影响。基于试验结果和计算结果推导了组合梁屈服点割线刚度公式,可供组合梁变形验算使用;得出了内置灌浆钢管桁架预应力混凝土组合梁的弯矩-曲率和荷载-位移恢复力模型,可为结构的弹塑性动力分析提供参考。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TU398.9

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