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榫卯式预制混凝土节点受力建筑性能试验研究

时间:2018-10-18 21:40来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇建筑论文,建筑学是技术和艺术相结合的学科,建筑的技术和艺术密切相关,相互促进。技艺在建筑学发展史上通常是主导的一方面,在一定条件下,艺术又促进技术的研究。
本文是一篇建筑论文,建筑学是技术和艺术相结合的学科,建筑的技术和艺术密切相关,相互促进。技艺在建筑学发展史上通常是主导的一方面,在一定条件下,艺术又促进技术的研究。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑论文,供大家参考。
 
1.绪论
 
1.1 研究背景和意义
1.1.1 研究背景
近年来,随着我国住房制度的改革的深入和城镇化的不断推进,建筑业发展迅速。《建筑业发展“十三五”规划》指出了未来五年全国建筑业市场规模目标——建筑总产值年均增长 7%,建筑业增加值年均增长 5.5%[1]。由此可见,建筑业在国民经济中的支柱地位不断增强。然而,我国建筑业的发展使国家建筑耗能比例日益提升,已达总能源消耗量的45%。已建建筑中绝大部分为高耗能建筑,同时,在新建建筑中的高耗能建筑数量高达 95%,建筑耗能已成为我国经济科学健康发展的巨大负担[2]。与此同时,传统建筑业存在生产效率低下、施工周期长、建筑质量难以控制、环境污染严重、现场施工人员危险性高等诸多问题,严重制约行业发展,对建筑业的全面深化规划改革势在必行。2013 年以来,发展改革委和住房和城乡建设部提出了“绿色建筑行动方案”、发布了《关于推进建筑业和改革的若干意见》,明确提出以建筑工业化为中心,把推进建产业现代化作为深化建筑业改革的重要途径。2017 年 4 月,住房和城乡建设部公布的《建筑业发展“十三五”规划》中提出:建筑业发展要以落实“适用、经济、绿色、美观”建筑方针为目的,以工程质量安全为中心,以优化建筑市场环境为保证,以鞭策建筑业供应侧结构性变革为主线,推进建筑工业化,旨在推动建造模式创新,促进建筑业持续健康发展[3]。建筑工业化是一种新型工业化建筑生产方式,它依靠先进的科学技术,使用现代化的设备,经过标准化设计、工厂化生产、机械化施工和科学化管理,将建筑的全过程整合,从而使建筑的生产方式实现建造、供应、销售和服务一体化[4]。我国的传统建筑业生产方式以现场作业为主,存在着高耗能,高污染,施工环境恶劣、施工速度慢、施工误差大和施工质量无保障等缺点。而相对于传统的建筑施工方式,采用建筑工业化理念的生产方式可使施工现场的建筑垃圾减少 80%以上,建筑材料的消耗减少 60%以上,建筑施工过程中的耗水耗电量减少 50%以上,建筑周期缩短也有很大程度的缩短,可达 40%以上,并且建筑结构的质量也相对可控,性能表现更优[5][6][7]。
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1.2 预制混凝土结构概述
 
1.2.1 预制混凝土结构的发展
预制混凝土技术的发展始于英国,1875 年 William Henry Lascell 首次获得预制混凝土专利“Improvement in the Construction”,并且 1878 年于巴黎展览会英国展区展示了第一个运用预制混凝土技术的别墅,该别墅仅墙体为预制混凝土墙板,采用干挂预制混凝土墙板的方式,用螺栓与主体承重结构连接[14]。Lascell 的预制混凝土技术极大的影响了建筑业的建筑模式,与此同时,他将预制混凝土技术广泛推广于实际工程,并且进行了预制混凝土抗压强度试验,开创了预制混凝土试验研究的先河,为今后的预制混凝土研究工作奠定了基础。随后预制混凝土技术推广至美国、法国等资本主义国家,在当时的工业化时期迎合了各个国家的需求,使预制混凝土技术获得了推进的机会。预制混凝土技术具有解决劳动力匮乏特点,因此在第二次世界大战之后的被各国广泛运用,在这一阶段出现了大量预制结构体系以及预制技术产品,并且形成了多种工程规范及应用标准[15]。其中美国预制/预应力混凝土协会(PCI)(Precast/Concrete Institute)出版了《预制混凝土结构抗震设计》[16],书中总结了最新的预制结构相关研究成果,同时系统分析了预制混凝土结构的抗震设计,对预制构件设计和工程实践具有指导性意义。日本的装配式结构使用较早,其借鉴欧美国家的钢筋混凝土构法的成功经验,并于 1966 年提出加快实现建筑全过程产业化的构想,并且将预制结构标准化,制定标准化住宅的基准尺寸和模数,编制了 10 余部装配式结构设计和施工规范及行业标准,逐步成为建筑工业化发展较完善、质量和水平较高的国家之一。短短十年里,日本的预制混凝土结构数量高达 12 万户[17]。目前,日本的预制混凝土结构已占据所有建筑的半数以上,是预制混凝土结构应用较多的国家之一。
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2 榫卯式预制混凝土节点受力性能试验研究
 
本章进行了 1 个榫卯式预制混凝土节点基准试件和 2 种不同节点构造形式的参数变化试件进行了拟静力抗剪试验,明确了节点的破坏过程和破坏形态,验证了粗糙面键槽构造、竖向孔洞榫卯式构造和布置连接钢筋榫卯式节点对连接节点抗剪性能的影响,为榫卯式预制节点的研究提供基础参考。
 
2.1 概述
榫卯式预制混凝土节点构造新颖,受力机理不同于现有结构,为研究榫卯式预制混凝土节点受力性能,首先要了解各构造参数对预制混凝土节点的影响、节点的破坏过程等。预制混凝土结构节点受力性能主要与节点抗剪性能相关,当榫卯式节点应用于剪力墙结构中时,在地震产生的水平荷载作用下,榫卯式节点的受力状态接近于纯剪,因此,为研究榫卯式节点受力性能,需对榫卯式节点进行抗剪试验。抗剪试验模型主要包括:单剪模型(如 Z 字型试件[63])、双面直剪模型[64]。单剪模型较双面直剪模型较为简单,但易产生弯矩作用影响试验结果[54],故本文选择双面直剪模型,采用静力加载方式。
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2.2 试验设计和制作
 
2.2.1 试件设计
本文设计了 3 个试件的双直剪试验,包括榫卯式预制混凝土节点基准试件MTJS-1 和不同节点构造的试件 MTJS-02、MTJS-03。MTJS-02、MTJS-03、MTJS-1 均以两种板型的预制板为基本装配单元,分别为两 个 单 侧 边 缘 布 置 凹 槽 的 板 型 和 两 侧 均 布 置 凹 槽 的 板 型 , 尺 寸 均 为2400mm 800mm 200mm,各试件对应板型图如图 2.2 所示;试件由预制和现浇两部分组成,三块预制板通过现浇部分两两拼接,中间板高出 200mm,使预制板的凹槽与凹槽相对布置,如图 2.1 所示。各试件的基本参数如表 2.1 所示。预制板截面尺寸相同,均为 800mm 200mm,高度均为 2400mm,边缘均开有横向凹槽,凹槽深度为 100mm,预制板内配置 C8水平分布筋和纵向分布钢筋,预制板间接缝宽度为 100mm;试件 MTJS-02 变化参数为粗糙面的键槽构造,即预制板纵向边缘进行键槽处理后凿毛;试件 MTJS-03 变化参数为竖向孔洞榫卯式构造,即预制板纵向边缘开有竖向孔洞形成榫卯式构造,竖向孔洞尺寸为 120mm 70mm,与试件 MTJS-02 对比,可验证键槽构造与榫卯式构造对预制混凝土节点的影响;试件 MTJS-1 为基准试件,在横向凹槽内布置锚连钢筋C10@150mm,竖向孔洞内配置纵向钢筋 2C12,与 MTJS-03 对比,可验证连接钢筋的对榫卯式节点接缝连接性能的影响。
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3. 试验结果分析.....33
3.1 承载力和剪切位移...........33
3.2 荷载-位移骨架曲线..........34
3.3 节点水平张开变形...........35
3.4 钢筋应变测量结果分析...38
3.4.1 预制板水平分布筋应变.............. 38
3.4.2 竖向钢筋应变....... 40
3.4.3 锚连钢筋应变...... 41
3.5 本章小结...42
4. 榫卯式预制混凝土节点有限元分析模型.........44
4.1 概述...........44
4.2 有限元模型的建立...........44
4.2.1 有限元模型类型.............. 44
4.2.2 单元类型.............. 45
4.2.3 材料属性及本构模型...... 454
4.3 有限元模拟结果...52
4.3.1 模拟破坏过程...... 52
4.3.2 模型荷载-位移骨架曲线.............56
4.4 本章小结...57
5 结论与展望..........58
5.1 结论...........58
5.2 展望...........59
 
4.榫卯式预制混凝土节点有限元分析模型
 
本章利用ABAQUS有限元分析软件建立了榫卯式预制混凝土节点的合理数值模拟,并与拟静力试验对比,验证了模型的合理性。
 
4.1 概述
目前在工程领域常用的数值模拟方法主要有:有限元法 FEM(Finite ElementMethod),边界单元法 BEM(Boundary Element Method)、有限元差分法 FDM(FiniteDifference Method)和离散单元法 DEM(Discrete Element Method)等。其中有限元法是二十世纪六十年代发展起来的一种数值计算方法,最早用于求解扭转问题[65],后来逐步运用于解决航空领域中的应力分析问题,并于 1967 年被美国学者 D.Ngo 和Alex C.Scordelis 运用于混凝土结构领域中,是应用最广泛的数值模拟方法。随着有限元理论和计算机仿真技术的迅速发展,出现了很多大型有限元软件,并在各类领域投入实际应用,如:HKS/ABAQUS,MSC/PATRAN-NASTRAN,DYNA,ANSYS,ADINA 等等,其中 ABAQUS 引领了非线性有限元技术发展,应用较为广泛,并且于 2002 年被引入中国,因其简便的操作和对强大的处理能力,受到国内各个工业领域的青睐[66]。ABAQUS主要由人机交互图形环境ABAQUS/CAE模块及ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit 两个分析模块构成,ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit 分析的完整过程由前处理、模拟计算和后处理三个步骤组成。预制混凝土结构的力学性能的试验研究大型且极其复杂,同时存在缩尺比例和量测范围等误差,难以反映实际结构在荷载作用下的真实力学性能。因此为提高预制混凝土结构研究的效率和准确性,应得到运用软件完成模拟的合理准确的方法[67]。
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结论
 
本文设计了 1 个榫卯式预制混凝土节点基准试件和 2 种不同节点构造形式的参数变化试件,进行了拟静力作用下的直剪试验。通过分析试验数据和 ABAQUS 有限元数值模拟,对本文提出的榫卯式预制混凝土节点受力性能和破坏形态进行研究,得出的主要结论如下:
(1)研究了带凹槽的预制混凝土连接节点抗剪试验的破坏形态。对于预制混凝土节点而言,新旧混凝土结合面的抗剪承载力极大程度上决定了节点的连接性能,本文研究的预制混凝土节点的破坏过程和破坏机理极大的区别于与现浇混凝土:由于竖向结合面是大部分预制混凝土结构的薄弱环节,因此在加载初期裂缝首先出现在预制板与现浇混凝土的竖向结合面处,这一阶段荷载主要由结合面承受。随着加载的进行,预制板接缝间的现浇混凝土出现对角斜裂缝,斜裂缝首先出现在预制板底部凹槽位置处,其出现位置自下向上发展,裂缝出现位置呈八字形布置。对角斜裂缝与竖向结合面开裂裂缝延伸、发展,随着试件变形的增加连通,最后形成贯通裂缝后试件发生剪切破坏。
(2)研究了粗糙面键槽、竖向孔洞榫卯式构造、布置连接钢筋的榫卯式节点对预制混凝土连接节点破坏形态的影响。粗糙面键槽处理的预制混凝土节点,其新旧混凝土结合面强度略高于未处理的,因此竖向结合面开裂较晚出现,但节点无配筋破坏偏向于脆性破坏,裂缝未完全开展时,便于接缝处突然破坏,破坏面较为平整;竖向孔洞榫卯式构造处理的预制混凝土节点因竖向孔洞的存在,试件没有发生爆裂倾倒,但竖向孔壁处易产生裂缝,预制板破坏较粗糙面键槽处理的更为明显。布置连接钢筋的榫卯式预制混凝土节点因其节点配置连接钢筋,可有效抵抗及延缓裂缝的开展,提高破坏时的延性。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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