浅谈RCS组合结构节点设计技术

RCS组合结构体系充分发挥了钢筋混凝土柱和钢梁的优点,在建筑工程实际中得到越来越广泛的应用。首先探讨日本和美国的RCS节点主要构造方案,随后简单介绍RCS节点计算模型,量后介绍节点设计中的节点区有效尺寸问题。     

预期损伤部位采用FRC梁柱组合件层间剪力-变形计算模型研究

通过分析梁柱组合件层间变形与梁端变形、柱端变形和节点核心区剪切变形之间的关系,梁端、柱端弯矩与曲率之间的三折线关系及节点核心区剪力与柱顶剪力之间的关系,提出预期损伤部位采用纤维增强混凝土（FRC）梁柱组合件层间剪力-变形计算模型;以节点核心区剪切破坏为主要破坏模式,分析FRC梁柱组合件在开裂点、屈服点和峰值点处的层间剪力、梁端变形、柱端变形和节点核心区剪切变形及各部分变形引起的层间变形占层间总变形中的比例及变化规律。将模型计算结果与试验结果进行比较,结果表明:提出的层间剪力-变形理论计算模型可较好地反映FRC梁柱组合件在地震作用下的层间剪力-变形关系。     

节点对RC框架结构抗连续倒塌能力影响研究

为了解节点对结构抗连续倒塌能力的影响,使用按照我国规范设计的RC框架结构对该问题进行了研究。对比了考虑节点影响和不考虑节点影响两种情况下的分析结果,发现节点对结构抗连续倒塌能力影响不能忽略,考虑节点影响后位移反应增大,结构抗连续倒塌的承载力会明显降低。该文同时对锚固在节点区的梁柱钢筋直径和强度、节点区剪切变形、节点区混凝土抗压强度等指标进行了参数分析,分析结果表明锚固在节点区的梁柱钢筋直径和强度对结构抗连续倒塌能力影响显著,而节点区剪切变形和混凝土抗压强度对结构抗倒塌能力基本无影响。此外,研究了考虑节点影响时结构构件的破坏模式,分析结果表明按我国规范设计的RC框架结构在连续倒塌过程中构件仍以弯曲破坏为主,并没有发现构件出现剪切破坏。研究结论为RC框架结构抗连续倒塌设计和加固提供了参考依据。     

方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析

基于方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点的低周反复荷载试验,在合理选择材料本构关系、破坏准则的基础上,采用通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱内隔板式节点和外加强环式节点进行了单调加载及循环加载作用下的受力性能分析。有限元分析得出的荷载-位移曲线及剪力-剪切变形曲线与试验结果吻合较好。在此基础上对外加强环式节点进行了参数分析,研究了方钢管混凝土柱的轴压比、宽厚比、核心混凝土强度及混凝土楼板高度对节点受力性能的影响,结果表明轴压比、宽厚比的影响较大。     

钢梁-钢筋混凝土柱梁柱中节点非线性有限元模拟

借助ANSYS有限元分析软件,对5个"梁贯通"式RCS梁柱中节点进行三维非线性有限元分析,并和试验结果相比较。分析中考虑材料非线性以及混凝土的开裂与压碎。对单元类型的选取、钢和混凝土材料模型的定义、整体有限元模型的建立、施加荷载、设置求解选项并求解等数值模拟技术进行了深入的研究。研究表明,通过合理设置参数,ANSYS有限元软件能够模拟RCS梁柱节点在静力荷载作用下的性能,并和试验结果吻合较好。     

预期损伤部位采用FRC增强梁柱板组合件的力-位移模型

将纤维增强混凝土（FRC）增强的梁柱板组合件的变形分解为节点变形、梁变形和柱变形引起的变形之和,通过贝叶斯参数估计方法建立了节点核心区剪应力-剪切变形模型;采用力学分析,建立了梁端与柱端的弯矩-曲率模型,由此建立了预期损伤部位采用FRC增强的梁柱板组合件的力-位移模型。结果表明:采用该文建立的力-位移模型的分析结果与试验结果符合较好;柱梁抗弯承载力比从1.1增大到1.6时,峰值荷载下总变形中节点变形的比率平均下降了37.4%,而梁变形比率平均增加了58.8%;相对于考虑6倍板厚翼缘宽度,考虑8倍板厚翼缘宽度更能有效控制节点变形,其峰值荷载下总变形中节点变形的比率平均下降了33.4%,而梁变形比率平均增加了42.9%。     

工字梁与H型钢柱腹板连接节点性能分析

利用ANSYS对工字梁与H型钢柱腹板连接节点进行有限元分析,建立梁翼缘连接板剪切变形和梁连接板部分弯曲变形理论分析模型,推导出梁翼缘连接板剪切变形的等效刚度公式,根据楔形梁段假定推导出梁连接板部分的抗弯刚度公式,并通过有限元分析确定刚度系数。根据对梁柱腹板连接节点各部分刚度和强度分析,建立腹板连接节点模型。这个简化模型可以用来分析单向荷载和循环荷载作用下梁柱腹板连接节点的响应。     

超高层建筑伸臂桁架-核心筒剪力墙节点受力性能数值与理论研究

基于对两种适用于超高层建筑的伸臂桁架-核心筒剪力墙节点的试验研究,对该类节点的抗震性能和受力机理进行精细有限元和理论分析,并给出设计方法和建议。首先利用通用有限元软件MSC.MARC(2010)对节点进行非线性数值模拟,将有限元分析结果与试验结果进行对比分析,取得满意的结果。随后根据有限元计算结果对伸臂桁架、墙体端部暗柱、外包(内嵌)钢板和混凝土剪力墙的受力机理进行深入分析,同时给出节点承载力简化计算方法。最后在整体节点模型的基础上,建立节点板的局部模型,着重对节点板的受力机理进行分析,并考察该类节点板简化设计公式的适用性。分析结果表明:混凝土墙受到上下部钢板的剪切作用从而形成斜压杆受力机制;在剪切荷载存在且节点板长度较小时,节点板危险截面正应力分布并不符合平截面假定。该文研究可为超高层建筑中伸臂桁架-核心筒节点的设计与施工提供参考。     

局部采用高延性混凝土装配式框架梁-柱节点抗震性能试验研究

为了提高装配式梁柱节点的变形及耗能能力,同时简化节点核心区构造避免节点核心区钢筋拥挤而导致的施工困难,在节点局部采用高延性混凝土（HDC）代替普通混凝土。考虑轴压比和节点核心区配箍率的影响,进行了5个局部采用HDC的装配式梁柱节点和1个钢筋混凝土（RC）装配式梁柱节点的拟静力试验,分析了其破坏形态、滞回特性、变形能力、刚度退化、耗能能力和节点核心区剪切变形。结果表明:节点核心区采用HDC,破坏由节点核心区转移到梁端,实现了强节点设计原则,有效提高了框架节点的变形能力和耗能能力;节点核心区和梁端均采用HDC,梁柱节点的破坏转移到柱端,需对柱端适当加强;节点核心区采用HDC的装配式梁柱节点,可以减少甚至免去箍筋的用量。     

承压型组合剪力键剪切性能试验与承载力计算

针对抗剪需求较大的钢-混凝土组合结构，改进了一种带横向焊钉的承压型组合剪力键。设计并开展了10个承压型组合剪力键和1个非承压型组合剪力键单调推出试验，明确了混凝土端部承压、混凝土强度、肋板厚度、肋板孔径和焊钉直径对承压型组合剪力键失效模式和破坏过程的影响。建立了承压型组合剪力键有限元模型，在结合试验验证仿真模型可靠性的基础上，进一步揭示了承压型组合剪力键受力机理。以试验变量为基础，建立并分析了108个承压型组合剪力键有限元模型，推导了承压型组合剪力键极限承载力与各参数变量之间的线性关系，对极限承载力分析结果进行多元线性回归提出了承压型组合剪力键极限承载力计算模型。结果表明：承压型组合剪力键混凝土板失效模式为大面积竖向裂缝和端部裂缝，内表面形成由焊钉高度附近向下延伸的斜主裂缝，非承压型组合剪力键混凝土板无明显端部裂缝，承压型组合剪力键极限承载力约为非承压型组合剪力键的1.4倍；与肋板孔径和焊钉直径相比，承压型组合剪力键极限承载力对混凝土强度和肋板厚度更为敏感。该研究提出的承压型组合剪力键极限承载力计算公式物理意义明确，计算值与仿真和试验结果吻合较好，可为组合剪力键设计和工程应用提供参考。     

钢纤维钢筋混凝土梁柱节点抗震设计方法

基于压杆模型和软化桁架模型,提出钢纤维钢筋混凝土梁柱节点的一种新的抗震设计方法。掺入节点核心区的钢纤维可被等效为部分水平和竖向剪力筋。在节点核心区与梁或柱相交端截面处建立平衡方程、协调方程和本构方程,可以求出传给节点压杆模型和软化桁架模型的地震作用。提出的设计方法能够对节点的水平和竖向抗剪承载力进行设计,其可靠性得到七个钢纤维钢筋混凝土梁柱外节点试验数据的验证。     

竖向混合结构转换柱构件抗剪承载力研究

竖向混合结构转换柱型钢在柱中截断,导致转换柱内力传递畸变。该文利用ABAQUS有限元软件,建立了考虑混凝土不同约束效应的转换柱精细有限元模型,通过模拟结果与试验结果对比,验证了该方法的正确性。根据转换柱的受力和变形特性,研究了转换柱的反弯点位置变化情况。随后根据转换柱不同破坏模式下构件受力特点,研究了转换柱的受剪承载力公式,并与参考文献中的试验结果进行了对比分析。最后对现有规范中转换柱抗剪能力公式的安全性和合理性进行了研究,并采用精细有限元模型对修正公式进行了验证,结果表明:现有规范计算的抗剪承载力偏于不安全,需要根据转换柱的受力及变形特性进行合理的修正。     

装配式干式连接剪力墙结构中楼板性能试验研究

装配式剪力墙结构中存在大量竖向拼缝,竖向拼缝采用干式连接可减少现场湿作业,提升建筑装配率。竖向拼缝采用干式连接后,由于拼缝宽度较小,拼缝两侧的剪力墙相对变形较大,而楼板在竖向拼缝处通常保持连续,因此在地震作用下,竖向拼缝处楼板局部将受到较强的剪切作用而发生严重破坏。针对上述问题,提出一种带局部加强构造的楼板做法,通过试验研究楼板在干式连接拼缝处的破坏现象和机理,并与现浇剪力墙进行了对比。试验结果表明:对于带竖向拼缝的剪力墙,楼板表现出明显的剪切破坏特征,在无干式连接节点时,楼板局部破坏严重,大震后难以修复;采用干式连接后,墙体的承载力和延性均有提升。由于干式连接节点的贡献,墙肢间相对变形减小,楼板损伤程度较轻,大震后更容易修复。     

Analysis of shear transfer and gap opening in timber–concrete composite members with notched connections

In timber–concrete composite members with notched connections, the notches act as the shear connections between the timber and the concrete part, and have to carry the shear flow necessary for composite action. The shear transfer through the notches generates shear and tensile stresses in both parts of the composite member, which may lead to brittle failure and to an abrupt collapse of the structure. Although simplified design formulas already exist, some structural aspects are still not clear, and a reliable design model is missing. This paper summarizes current design approaches and presents analytical models to understand the shear-carrying mechanism, to estimate the shear stresses acting in the timber and concrete, and to predict failure. The analysis concentrates on three problems: the shearing-off failure of the timber close to the notch, the shear failure of the concrete, and the influence of the shear flow on the gap opening between the timber and concrete. Parts of the model calculations could be compared to experimental observations. The conclusions of this paper contribute to improving current design approaches.     

考虑压-弯-剪相互作用的纤维混凝土剪力墙变形能力分析

为了准确预测地震作用下高性能纤维增强混凝土剪力墙的受力性能,综合考虑压、弯、剪相互作用的破坏机理以及纤维增强混凝土超高受拉应变硬化性能,基于修正压力场理论和单向弯剪模型,提出了高性能纤维增强混凝土剪力墙变形能力分析模型。通过与4片高性能纤维增强混凝土剪力墙低周往复试验骨架曲线的对比研究,验证了剪力墙分析模型的准确性,讨论了影响其变形能力的的主要因素。研究结果表明:该文提出的考虑轴力-弯矩-剪力相互作用的高性能纤维增强混凝土剪力墙荷载-变形模型,可用于单调荷载作用下剪力墙的变形能力分析。     

Ultimate punching shear strength analysis of slab–column connections

A simple analytical model is presented to predict the ultimate punching shear strength of slab–column connections. The model is based on the physical behavior of the connections under load, and is therefore applicable to both lightweight and normal weight concrete. The model assumes that punching is a form of combined shearing and splitting, occurring without concrete crushing, but under complex three dimensional stresses. Failure is then assumed to occur when the tensile splitting strength of the concrete is exceeded. The theory is applied to predict the ultimate punching shear strength of 60 slab–column connections reported recently in literature, and designed to fail in shear, involving a large number of variables, such as type of concrete, concrete strength, tension steel ratio, compression reinforcement and loaded area. The results show very good agreement between the predicted and experimental values. The uniqueness of the model is that it incorporates many physical characteristics of the slabs and their failure behavior, and this is reflected by its ability to predict extremely well the results of tests conducted by researchers other than the authors.     

高延性混凝土加固高轴压比剪力墙抗震性能试验研究

为提高高轴压比下(低矮)剪力墙的抗震性能,提出采用高延性混凝土(HDC)面层对其加固。设计了3片剪跨比为1.1的混凝土剪力墙,其中1片为对比试件,其余2片分别采用HDC面层和钢筋网HDC面层进行加固。通过拟静力试验,研究剪力墙试件的破坏形态、变形能力、耗能能力及刚度退化特性。试验结果表明:采用HDC面层加固的剪力墙试件,加固层裂而不坏,与内部墙体协同工作性能良好,可对内部混凝土形成一定的约束作用,改善了剪力墙的脆性剪切破坏特征;HDC面层能有效提高剪力墙的受剪承载力、变形能力和耗能能力;在HDC面层中配置钢筋网片使加固面层斜裂缝开展延缓,可充分发挥HDC良好的拉伸性能和耐损伤性能,使加固试件在破坏阶段的刚度退化缓慢。基于软化桁架模型,考虑HDC加固层贡献,提出了加固试件的受剪承载力公式。     

薄壁箱梁畸变分析理论的研究

对薄壁箱梁以畸变角和畸变挠度为位移参数的两种畸变理论进行比较分析,证明了两种理论的计算结果是完全一致的。根据箱梁的变位协调关系得出畸变挠度和畸变角的互换性,从而建立了两种理论的控制微分方程的互换方程。采用广义坐标法,明确了畸变中心的定义,确定了畸变位移模式,进而基于能量变分原理,建立了充分考虑剪切变形效应的畸变分析理论,推导了求解的初参数法,研究了剪切变形的影响。结果表明:剪切变形对畸变翘曲应力和横向弯曲应力的影响较小。     

考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁解析解

通过在Newmark 模型中引入(1)描述横向非均匀分布的纵向位移的翘曲形函数和(2)描述钢梁腹板剪切变形的Timoshenko 梁假定,建立了一个能考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁模型,并推导了均布荷载作用下的解析解。最后通过4 个算例验证了模型和解析解的正确性和适用性,并显示了考虑组合梁剪切变形的必要性。另外,算例还表明,在组合梁的三维有限元建模中采用Timoshenko 梁单元来考虑钢梁的剪切变形会导致显著的误差。