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空腹灌浆圆钢管桁架—混凝土组合梁受力性能研究及应用

柳旭东  
【摘要】: 随着我国建筑业由“以新建为主”逐渐向“新建与改建并重”的过渡,对既有房屋的套建增层改造设计与施工方法的研究开始受到重视。为在套建增层施工过程中保证原房屋正常运营,提出了“施工阶段自承重配筋混凝土楼盖”的设计思路。“施工阶段自承重配筋混凝土楼盖”的设计思路在绥芬河青云市场套(扩)建改造工程中得到了初步尝试。绥芬河青云市场套(扩)建改造工程中内置预应力钢桁架-混凝土组合梁的钢桁架是用角钢焊接而成,上、下弦杆的角钢截面尺寸较大,约占柱边长的40%,再加之预应力筋需要从柱内通过,喇叭管需要占去一定的空间,致使柱的纵筋布置相对比较困难。设想若将圆钢管的壁厚与角钢厚度取同,将角钢桁架各杆件换成圆钢管,则圆钢管的直径仅为角钢边长的一半左右,可缓解柱内空间紧张的状况,同时桁架下弦孔道便于直线预应力筋的布置和张锚,但空钢管桁架节点易发生压陷破坏,为避免压陷破坏的发生,设想在弦杆内灌浆,以提高压陷承载力。由于灌浆圆钢管的压陷承载力的计算方法尚未见系统报道,因此开展了9个灌浆圆钢管压陷承载力试验,考察了支杆与弦杆直径比、弦杆所受轴力的性质与大小等参数对灌浆圆钢管压陷承载力的影响。由试验得出:随着灌浆圆钢管支、弦杆直径比β的增大,其压陷承载力也相应增大;对弦杆施加轴向压力,可提高灌浆圆钢管压陷承载力;对弦杆施加轴向拉力,灌浆圆钢管压陷承载力提高程度不明显,灌浆圆钢管压陷破坏属于延性破坏,具有良好的的强度储备。同时对灌浆圆钢管压陷破坏进行了有限元模拟,仿真试验除考察了模型试验所考察的参数之外,还考察了弦杆尺寸、弦杆壁厚、水泥石强度、弦杆钢材强度等参数对灌浆圆钢管压陷承载力的影响,在模型试验和仿真试验的基础上,分析了灌浆圆钢管压陷机理,建立了灌浆圆钢管压陷承载力的计算公式。 由于灌浆圆钢管桁架的节点多为N型节点,N型灌浆圆钢管的冲剪、压陷、直剪承载力的计算方法未见系统报道,因此开展了8个灌浆圆钢管桁架N型节点从加荷到破坏的试验。由试验得出:随着灌浆圆钢管斜腹杆与弦杆直径比β的增大,试件冲剪极限承载力也相应增大;对弦杆施加轴向压力,可提高灌浆圆钢管压陷承载力;由于弦杆内的灌浆料与弦杆共同作用,使得灌浆圆钢管桁架N型节点的直剪承载力得以提高。同时对灌浆圆钢管N型节点的冲剪破坏进行了有限元模拟,采用最小二乘法回归提出了冲剪破坏模式的节点承载力计算公式;N型节点压陷承载力计算公式沿用了灌浆圆钢管压陷承载力公式;直剪破坏模式的极限承载力认为是节点弦杆圆管与灌浆料两种材料抗剪承载力叠加。 由于内置预应力钢桁架-混凝土组合梁的自重在该楼盖体系中占有相当大的比重,因此设想采用空腹灌浆圆钢管桁架-混凝土组合梁替代内置预应力钢桁架-混凝土组合梁。空腹灌浆圆钢管桁架-混凝土组合梁的受力性能、破坏机理、正截面抗弯承载力及变形计算方法尚未见系统报道,针对这些存在的问题,设计制作了4根(两类)空腹灌浆圆钢管桁架-混凝土组合梁,通过模型试验考察了桁架上弦钢管、下弦钢管、包裹上弦钢管的混凝土断面等参数对组合梁正截面承载力及刚度的影响,报道了这4根梁从加载到破坏的全过程。仿真试验除考察了模型试验所考察的参数之外,还考察了桁架竖腹杆、斜腹杆、节间距、桁架高、斜腹杆与弦杆水平夹角、实腹区段长度等参数对组合梁性能的影响。 由于套建增层框架上刚下柔,高鸡腿现象明显,如何保证套建增层框架在小震作用下处于弹性状态,在大震作用下不倒塌是人们关注的问题。参照《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)和《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002),在有限元程序ANSYS的基础上,利用参数化设计语言(APDL)和Matlab语言,结合套建增层框架的特点,编制了套建增层空腹灌浆圆钢管桁架-混凝土组合梁框架(框架柱采用普通钢筋混凝土柱、框架梁采用第二类空腹灌浆圆钢管桁架-混凝土组合梁)内力计算和配筋计算程序,该程序能够根据需要调整抗震增强措施。基于平面杆系模型,采用IDARC非线性分析程序,分析了抗震设防烈度为7、8度,场地类型分别选取Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类场地,设计地震分组为第一、二、三组,跨度为16m的底层结构层高分别为7.5m、11m、14.5m、18m,上部结构层高为4m,上部增加层数分别为2、4、6、8、10层的分离式套建增层框架在不同地震记录输入下的地震反应。 分总则、一般规定、结构型式、抗震构造等级与轴压比限值、材料及截面选择、两类极限状态计算、相关构造要求、设计建议步骤、算例等方面提出了空腹灌浆圆钢管桁架-混凝土组合梁框架结构房屋的设计与施工建议。


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