钢筋混凝土异形柱结构体系理论与试验研究

【摘要】：钢筋混凝土异形柱结构,采用异形柱代替传统的矩形柱,构成“隐式框架”, 是一种新型住宅结构体系,具有广阔的发展前景。 本文在总结已有成果的基础上,对钢筋混凝土异形柱结构体系进行了系统、 深入的理论与试验研究,主要创新工作与成果包括以下几个方面: (1)系统地研究了钢筋混凝土异形柱的轴压比限值。通过理论与数值分析, 给出了对应 4 个抗震等级时异形柱的轴压比限值及相应的构造要求;在一级抗震 等级时,为了保证异形柱具有较好的抗震性能,建议在底层柱及角柱的肢端设置 加强区,并给出了详细的构造要求;首次给出了在一、四级抗震等级时异形柱的 轴压比限值以及箍筋间距与纵筋直径之比和箍筋直径的相应要求,从而为异形柱 轴压比限值的确定提供了重要的参考,也为完善相关设计规范提供了重要的理论 依据。 (2)通过对钢筋混凝土异形柱的全过程非线性分析及试验数据的统计分析, 提出了对异形柱框架或异形柱框架—剪力墙结构的弹性层间位移角限值和弹塑 性层间位移角限值。分析表明,轴压比、荷载角、配箍率、配筋率、长细比以及 肢高肢厚比等是影响异形柱极限位移角的主要因素;且为了防止异形柱由于长细 比过大而导致在某些荷载角时发生失稳,提出了异形柱长细比的限值。 (3)分别对不同翼缘宽度的 5 个“L”形柱和 6 个“十”形柱的异形柱框架 顶层节点的足尺模型进行了低周反复荷载试验。试验中仔细观测了各节点试件在 开裂、屈服、极限和破坏等各个阶段的梁端位移、节点核心区剪应变和梁端弯曲 应变等,在此基础上分析了各节点试件的耗能能力、刚度变化和裂缝开展等特征。 结果表明,异形柱的翼缘在异形柱框架节点中发挥很大作用:①有无翼缘直接影 响到节点的破坏形态,有翼缘的节点梁端先出现塑性铰然后节点核心区发生破 坏,而无翼缘的节点出现明显的核心区先破坏的特征;②翼缘能明显增强节点核 心区的抗剪能力;③有无翼缘对节点的剪压比影响较大。 (4)分别对钢筋混凝土异形柱框架顶层角节点和中节点进行了单调荷载下的 平面非线性有限元分析,并考虑了翼缘的影响。计算结果与试验值吻合较好,表 明本文计算程序正确、合理。进一步深入分析了异形柱框架顶层节点的破坏机理、 裂缝的开展过程、箍筋应力以及翼缘宽度对节点受力性能的影响等,结果表明, 有翼缘的节点的承载能力、剪压比以及梁端纵筋的滑移等均好于无翼缘的节点; 另外得到了翼缘的箍筋和混凝土参与节点核心工作的数学表达式,可扩展到一般 不等肢异形柱框架节点抗震性能的计算中。 (5)在总结分析的基础上,提出了异形柱框架节点的承载力计算公式,为制 订相关设计规范提供了重要的理论依据。