分散筒结构复杂节点及其构造措施数值模拟分析

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分散筒结构体系是一种适用于高层和超高层建筑的新型结构体系,经研究表明其具有良好的结构性能及经济性,有远大的应用前景。本文在总结了已有研究成果的基础之上,采用PKPM软件SATWE模块对某实际工程的结构方案进行了优化设计,并先后选取了其中受力比较复杂的薄墙-梁-板节点和分散筒筒体转角节点,运用有限元分析软件ANSYS进行数值模拟。针对两种节点的受力和破坏不合理的情况分别采取多种构造措施,并对各构造措施进行对比研究。本文首先对已研究结构的墙厚的合理性进行分析,得墙-梁-板节点在墙厚为200mm时挠度和裂缝宽度均满足规范要求,但在结构上部楼层的墙厚和墙体配筋有较大富余。为使结构方案更加合理,符合工程实际,本文对结构方案进行了优化设计并提取墙-梁-板节点进行数值分析,梁的受拉区裂缝宽度最大值满足《混凝土规范》中裂缝宽度限值,属于构件正常工作的裂缝。但在较高楼层节点中的无梁侧墙体中部出现了混凝土开裂的现象,墙体内的最大裂缝宽度已经接近规范规定的限值,考虑到墙体内裂缝深度几乎贯穿墙厚,裂缝范围遍及较广,墙体削弱严重,可能出现墙体在局部抗剪截面和承载能力不满足的情况;由于墙体较薄,梁端钢筋水平锚固长度不满足现行规范要求;另因为新型结构体系从严考虑,需要采取构造措施加以解决。本文针对上述问题以及规范相关规定给出了相应解决方案,并对明梁、明柱、梁延长、加腋四种构造措施进行了数值模拟分析。经过大量的对比研究得出,加腋后墙体受力不合理的问题未能解决,采取梁延长、明柱、明梁后,节点墙体内的裂缝消除,节点受力趋于合理。其中,本文针对明梁和明柱分别做了11种和6种构造方案,并采用分组对比的方式,以确定受力合理而又经济的构造措施形式,给出具有实际工程指导意义的具体解决方案。本文另从结构方案中选取受力较为复杂的分散筒筒体转角处节点进行屈服荷载作用下数值模拟分析,并得到以下结论:(1)梁上部一侧受拉钢筋在墙体内的水平段锚固长度不满足现行规范的最小锚固长度的要求,并造成了不利影响,需采取构造措施解决。(2)当梁上部锚入墙体内的钢筋应力在刚达到屈服强度时,未在纵向墙体中锚固的右侧受拉钢筋应力值较小,钢筋强度未被有效利用,构件及节点受力状态与现行规范的设计方法不相符,故需要采取构造措解决此问题。(3)在所有受拉钢筋尚未被充分利用时,梁端下部与墙体交接处的混凝土出现了压应力集中区,混凝土的压应变已经超过极限压应变的限值,说明当梁上部部分钢筋刚达到屈服强度时,局部墙体混凝土被压溃,节点发生脆性破坏,受力不合理、延性较差且存在薄弱环节,需要采取构造措施加以解决。针对节点上述问题,本文采取墙体转角处内侧加腋、加梁头两种构造措施进行详细的数值对比分析。梁加水平腋措施后节点的受力性能有大幅改善,梁内受拉钢筋的锚固长度均可满足规范要求,梁受拉钢筋基本同时达到屈服,此时梁下墙体局压接近混凝土极限压应变;加梁头后,没有锚固在剪力墙中的梁纵向钢筋锚固环境相对较差,不能很好地解决梁上部钢筋应力不同步的问题;且从使用功能考虑,由于梁头凸出墙体较多,可能会影响到电梯的正常使用。因此不推荐采取加梁头的构造措施。为进一步改善节点中墙体混凝土过早压碎破坏,本文采取将腋的高度增至右侧梁高的两倍和结构层高两种构造方案并进行对比研究,两种方案的墙体局压已经完全满足规范要求,对比其它性能发现,当腋的高度继续增加后的受力状态较两倍梁高的腋方案并无明显改善。因此,当采取加腋的构造措施时,筒体转角处节点的受力性能及锚固满足规范规定,腋的高度取右侧梁高的两倍时即可取得较好的效果。具体工程中,可根据经济性和施工方便性等因素综合考虑是否需在墙体全高设置腋。
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