无抗冲切钢筋的板柱节点抗冲切性能与分析方法研究

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钢筋混凝土板柱结构作为传统的结构形式,因其具有水平构件占用空间小,施工便捷,经济效益高等优势,自20世纪初期至今,被广泛运用于住宅、商场、车库、港口等。但板柱结构的节点为其的薄弱环节,易发生冲切破坏导致连续性坍塌,造成巨大的经济损失和人员伤亡。自上世纪板柱结构被运用于实际建筑中起,各地因板柱节点发生冲切破坏导致的事故层出不穷。因此,对于板柱节点抗冲切性能的研究能够为保障工程安全和助力板柱结构的应用提供技术支持。基于上述背景,本文通过无抗冲切钢筋的板柱节点抗冲切试验和有限元数值模拟并建立理论计算模型等分析方法,深入研究了板柱节点的抗冲切性能以及破坏机理。本文首先对4块不同纵筋配筋率和不同混凝土强度的无抗冲切钢筋板柱节点进行抗冲切试验。观测了板柱节点在整个受力过程中所产生的试验现象,记录了相关试验结果。从裂缝的开展与分布、挠度变化以及钢筋与混凝土应变等方面入手,量化了板柱节点的破坏模式与裂缝开展规律,并研究了其破坏机理。结果表明,无抗冲切钢筋板柱节点的抗冲切作用主要由骨料咬合作用、直接剪切作用和钢筋销栓作用三部分组成,其所发生的冲切破坏具有典型脆性破坏的特征;所有试件的初始弯曲裂缝在短柱边缘附近出现,高强度混凝土试件的环状裂缝数量和直径均小于低强度混凝土试件;当冲切破坏发生时,板柱试件受拉纵筋均发生不同程度的屈服,且屈服区域集中在柱下;在相同配筋率的条件下,混凝土强度等级为C60的试件较C30试件,抗冲切承载力提升约4.66%-18.92%;在相同混凝土强度的条件下,配筋率为1.28%的试件较0.86%试件,抗冲切承载力提升约13.85%-29.41%。在板柱节点抗冲切试验的基础上,利用有限元软件ABAQUS对无抗冲切钢筋板柱节点进行了数值模拟。在材料本构模型选择上,采用了塑性损伤(CDP)模型对混凝土非线性行为进行描述。将模拟结果与试验结果进行比对分析,验证了试验的正确性以及塑性损伤(CDP)模型分析板柱冲切问题的适用性。结果表明,采用有限元模拟的方式可以再现钢筋混凝土板柱节点在竖向荷载作用下的力学特征。本文通过检索文献收集样本,建立了无抗冲切钢筋板柱节点抗冲切试验的数据库。介绍了中国、美国、欧洲、加拿大和日本现行设计规范所建议的板柱节点承载力表达式,并基于数据库对其进行比对分析,讨论了各设计规范的公式特点和预测精度。随后,基于修正压力场理论,考虑了纵筋配筋率和尺寸效应等影响因素,建立了无抗冲切钢筋板柱节点的冲切承载力公式。结果表明,各设计规范关于板柱节点冲切承载力公式的表达形式不尽相同,主要区别在于所考虑的参数选择上和所采用的理论模型不同;影响板柱节点抗冲切承载力的参数主要有混凝土强度、纵筋配筋率、尺寸效应、临界截面周长等;基于修正压力场理论,可将板柱节点冲切破坏的三维力学问题转化为平面问题,使复杂的分析过程得到简化,并以此建立无抗冲切钢筋板柱节点抗冲切承载力表达式;本文所建立的板柱节点抗冲切承载力表达式考虑了纵筋配筋率、混凝土强度、尺寸效应和临界截面等影响,具有预测精度高、表达形式简单、影响因素考虑全面等特点,对指导板柱节点研究具有参考价值。
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