装配式钢筋混凝土异形柱框架结构抗震性能足尺试验与分析

【摘要】：异形柱结构室内柱楞不外露、美观适用,能获得较好的建筑功能并减轻结构自重;装配式结构是我国建筑业发展的重要方向之一,以混凝土结构为例,可通过工厂预制大幅减少现场湿作业,具有节能环保、装配建造高效等特点;农村新民居建设有利于改善农村基础生活环境,提升农民生活质量,对于实施乡村振兴战略具有重要意义。采用装配式混凝土异形柱框架结构有利于促进新民居建筑的设计标准化、生产工厂化、施工装配化发展,然而,由于《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149-2017)尚没有关于装配式混凝土异形柱框架结构抗震设计的有关规定,加之异形柱截面的特殊性,因此本文以某装配式新民居的研发与示范建设为背景,通过拟静力试验与数值分析,研究装配式混凝土异形柱框架结构的抗震性能,为其工程应用提供参考,具有重要意义。论文主要工作及结论如下:(1)验证了基于“等同现浇”设计的装配式混凝土异形柱框架结构抗震性能的可靠性,完成了2榀足尺比例设计的现浇整体式与预制装配式混凝土异形柱框架结构在竖向荷载作用下的拟静力试验。研究结果表明,现浇与装配试件破坏模式均为梁铰破坏机制,符合“强柱弱梁”设计原则;现浇与装配试件极限承载能力相当且均表现出良好的承载稳定性能,其中峰值荷载平均值相差7.3%,两试件承载能力退化系数稳定在0.89～1.00;与传统现浇试件相比,预制装配试件在刚度退化、耗能能力及延性等方面略优,采用浆锚连接装配式混凝土异形柱框架结构遵从现行“等同现浇”设计理念可行且偏于安全。(2)探明了轴压比对装配式混凝土异形柱框架结构抗震性能的影响,完成了2榀足尺比例设计的轴压比分别为0.14、0.28的装配式混凝土异形柱框架结构的拟静力试验。研究结果表明,“浆锚连接+节点后浇”连接方案安全可靠;轴压比增大,装配式混凝土异形柱框架结构在相同侧移下对应的抗侧承载力增大,其中屈服荷载、峰值荷载平均值分别提高约16.8%、14.5%;同时结构极限变形与耗能能力下降、延性降低,但各延性系数平均值均在3.20以上;两试件实测各层弹性层间位移角均小于《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149-2017)规定限值1/550,表明装配式混凝土异形柱框架结构存在过早开裂现象,究其原因为一榀平面框架试验时未考虑楼板、内外墙板对侧向刚度的贡献作用;就弹塑性层间位移角而言均符合规范1/50限值要求,满足“大震不倒”抗震设防要求。(3)探明了二层二跨装配式混凝土异形柱框架结构的抗震性能,完成了1榀足尺比例设计的二层二跨装配式混凝土异形柱框架结构的拟静力试验。研究结果表明,模型终极失效呈“强柱弱梁”破坏特征;模型各层弹性层间位移角均小于规范限值1/550要求,究其原因是装配式异形柱框架结构在构件拼接处过早开裂所致,建议适度放宽弹性层间位移角限值;模型一层、二层弹塑性层间位移角分别为1/25、1/48,均大于规范限值1/50,满足“大震不倒”抗震设防要求;试验模型具有良好的承载变形与耗能能力,满足延性框架要求;模型中间十字节点呈“X”型剪切裂缝且损坏较重,宜采取必要措施增强。(4)实现了基于“等同现浇”设计的装配式混凝土异形柱框架结构的静力弹塑性分析,完成了混凝土异形柱空间框架及其开间与进深方向单榀框架在SAP2000的推覆分析研究。研究结果表明,通过将混凝土异形柱原位等效为矩形柱,在SAP2000平台开展的静力弹塑性模拟结果与试验结果吻合较好,为开展同类结构的推覆分析提供了便捷、可靠手段;拓展分析表明,对于二层二跨装配式混凝土异形柱框架结构,考虑轴压影响后,极限荷载略有提高、极限变形能力缩短,但极限位移角仍满足规范限值;进一步针对新民居工程背景开展了空间结构推覆分析,结果表明空间框架模型失效呈“梁柱铰混合屈服机制”破坏模式,层间位移角满足规范要求,符合“小震不坏、大震不倒”抗震设防目标。本文创新点如下:(1)验证了采用浆锚连接的足尺装配式混凝土异形柱框架结构的抗震性能可靠性,揭示了其失效破坏机制。(2)建立了基于原位等效代换和修正截面特性的装配式混凝土异形柱框架结构的静力弹塑性分析方法。