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钢筋混凝土板柱结构在水平作用下的等代梁法研究

周朝迅  
【摘要】:钢筋混凝土板柱结构在竖向荷载作用下的设计方法已比较成熟,但在水平荷载作用下的设计方法仍不是十分成熟。在水平作用下,目前主要设计方法有等代框架法和等代梁法。等代框架法中结构柱的等效截面计算复杂,现行的各结构设计软件没有对这一问题提供自动计算过程,在计算机得到广泛应用的今天不十分合适。而等代梁法中则直接用等代梁替换板,不需改变原结构的柱子截面、层高和材料等,模型简单,可直接在各结构软件中应用。 国内外研究者已对等代梁法作了不少研究,证实了等代梁法的合理性,但针对等代梁法的以下几个关键问题,仍没有取得一致意见: ①水平作用下弹性等代梁宽系数的取值; ②板柱节点在板开裂后的等代梁宽取值问题; ③板柱结构在非线性程序中的计算分析模型问题;针对这些问题,本文主要完成了以下研究工作: ①总结板柱结构的设计方法,并用ABAQUS有限元程序模拟竖向均布荷载作用下板面的弯矩分布情况,用以对比分析中国升板规范中的经验系数法和美国ACI中的直接设计法; ②通过ABAQUS有限元程序计算各种尺寸的板柱节点(共416个模型)在水平作用下的弹性等代梁宽系数,分析各尺寸参数对等代梁宽系数的影响,最终用各参数建立等代梁宽系数的计算式; ③用ABAQUS有限元对收集到的11个板柱中节点试验以及自建的9个中节点模型进行非线性静力推覆模拟,查看板上配筋形式及板柱尺寸对水平作用下板的非线性抗弯性能的影响,并探讨非线性状态下的等代梁宽系数的取值问题。 ④简介板柱体系基于性能设计方法,并详细介绍ASCE41/SEI 41-06和PEER/ATC-72-1中推荐的板柱体系计算分析模型及其控制准则。 通过上述研究工作,本文获得以下主要结论: ①在竖向均布荷载作用下,对于内跨,经验系数法和直接设计法所给的弯矩分配比例相差不大,和计算结果也比较吻合;对于边跨,直接设计法与计算结果更为吻合,经验系数法的端支座安全裕量更大些。 ②在水平作用下,建议弹性等代梁宽系数α根据下面公式取值: a=3.3c_1/l_2+0.16×l_1/l_2+0.11×c_2/c_1(内板柱节点,中框架边柱节点)a=-0.1+2.69×c_1/l_2+0.06×l_1/l_2+0.13×c_2/c_1(边框架板柱节点、角节点) ③影响水平作用下板柱节点非线性抗弯性能的主要因素有板上配筋和板柱尺寸,把更多的沿水平作用方向的板筋布置于以柱子为中心c2 + 3h的板宽范围或柱上板带的做法既能提高板的抗弯能力,又能充分发挥板筋能力。对于正方形截面的柱子,板的抗弯刚度和能力都会随着柱子截面尺寸增大而提高;对于长方形截面的柱子,把长边布置成平行于要考虑的水平作用方向会对提高板的抗弯能力有利;在条件允许下,增加板厚会显著提高板的抗弯能力。 ④当板上作用弯矩与用等代梁宽计算的开裂弯矩比值小于2.0时,即M a / M cr≤2.0时,采用罗元辉建议的公式来计算非线性状态的板柱中节点等代梁宽折减系数β是合理的;水平作用下处于非线性状态的板柱中节点等代梁宽折减系数β,建议采用下面公式来估算其下限值:β=0.4+0.32[{M_a/M_(cr)-0.7)}~(-0.5)-{(M_a/M_(cr)-0.7)}~(0.5)]


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