考虑节点剪切变形影响的钢筋混凝土框架地震反应分析硕士学位论文精品.docx
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考虑节点剪切变形影响的钢筋混凝土框架地震反应分析硕士学位论文精品
分类号:
TU3
10710-0828034
硕士学位论文
考虑节点剪切变形影响的钢筋混凝土
框架地震反应分析
和西良
导师姓名职称
吴涛教授
申请学位级别
工学硕士
学科专业名称
结构工程
论文提交日期
年月日
论文答辩日期
年月日
学位授予单位
长安大学
答辩委员会主席
学位论文评阅人
StudyontheSeismicResponseofRCFrame
thatConsidertheJointShearDeformation
ADissertationSubmittedfortheDegreeofMaster
Candidate:
HeXiliang
Supervisor:
Prof.WuTao
Chang’anUniversity,Xi’an,China
论文独创性声明
本人声明:
本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。
本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名:
年月日
论文知识产权权属声明
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学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。
本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,署名单位仍然为长安大学。
(保密的论文在解密后应遵守此规定)
论文作者签名:
年月日
导师签名:
年月日
摘要
当结构处于弹性受力状态时,节点剪切变形所引起的变形在框架结构整体变形中所占比例较小,但是当框架结构在地震作用下进入弹塑性状态时,由节点变形所引起的变形在结构整体变形中比重不容忽视,尤其是未经过抗剪强度验算的或承受较大剪压比的节点。
框架节点的变形主要由节点的剪切变形和梁纵筋滑移所产生的转角组成。
而本文主要考虑节点剪切变形影响,对于节点滑移影响可通过对本节节点模型的剪切刚度修正来加以考虑。
目前对钢筋混凝土结构抗震分析和计算时,一般都假定节点是刚性的,实际上完全刚性的节点是不存在的,尤其是在罕遇地震作用下的框架结构更是如此。
因此,在进行钢筋混凝土框架结构地震反应分析时考虑节点剪切变形的影响显得很重要。
本文基于Clough双线型恢复力模型和Takeda刚度退化三线型模型的基础理论,提出了符合节点抗剪机理的节点剪力与剪切变形之间的三线型滞回曲线模型,并主要考虑了剪压比、轴压比、配箍特征值三个因素对节点剪切变形的影响,给出了节点在各个阶段剪切刚度的计算公式。
根据以上节点单元模型分析,利用SAP2000有限元分析软件对给定框架进行弹塑性时程分析,得出框架结构的层间位移角和顶点位移。
主要结论和建议如下:
(1)本文提出了符合节点实际剪切变形的节点力与变形的三线型恢复力模型和节点参数的计算公式,并将其应用于第四章中节点弹簧的定义当中。
(2)第一次尝试把这种节点“宏模型”应用于整体框架,并提出了“宏模型”中弹簧轴向刚度的计算方法。
(3)利用有限元软件SAP2000对考虑节点剪切变形和不考虑节点剪切变形的两种框架进行动力分析,通过改变输入最大地震加速度和节点单元参数,最后得到了各种情况下的计算结果。
经过对比分析可看出,软件的计算结果与前面所述各因素影响节点剪切变形的规律基本相一致,证明本文提出模型单元的合理性和有效性。
(4)节点剪切变形对整体框架的影响大小与地震作用大小有关,其随地震作用的增大而增大。
关键词:
梁柱节点,宏模型,滞回曲线,剪切变形,半刚性,时程分析
ABSTRACT
Thedeformationcausedbysheardeformationhaveasmallproportionofthetotaldeformationofstructurewhenitisonelasticstate,buthavealargeproportionwhenitisonelastic-plasticstateespeciallyforthejointswhichdon’tbecheckedfortheirseismicshearorendurehighratioofshearforcetoconcretecompressiveforce.
Beam-columnJointdeformationcontainssheardeformationandslipoflongitudinalreinforcementpassingthroughjoint.Butinthispapersheardeformationismainlytakenintoaccount,andslipoflongitudinalreinforcementpassingthroughjointisconsideredjustbymodifyingitsrigidmatrixofthejointshearelementwhenitseffectisimportant.
Atpresent,jointisgenerallyconsideredrigidwhenwehaveaanalysisandcalculationonseismicshearofjoint.Infact,theabsoluterigidjointisimpossible;especiallywhenjointisenduretheeffectofseismicforces.Soitisveryimportanttoconsidertheeffectofjointsheardeformationonstructure.
Inthispaper,theresiliencemodelbetweenjointshearforceandjointsheardeformationisestablishedonthebaseofthemodelofTekedaandclough.Fourfactorsthataxialcompressionratio、shearcompressionratioandhoopreinforcementratioareconsideredinthemodelofjointsheardeformation,andestablishthecalculationformulaofrigidmatrixineverystageofJointsheardeformation.
Fortheaboveresiliencemodelofjointelement,thearticleusesaNonlinearStatictime-historyanalysisonaframestructurebythefiniteelementanalysissoftwareofSAP2000,atlast,obtainsthetopdisplacementandthenterstorydriftsangle.
(1)Inthispaper,establishtheresiliencemodelbetweenjointshearforceandjointsheardeformationandthecalculationformulaofjointparameters,andwhichisappliedinchapterIVwhichdefinesthejointspring.
(2)Thefirstattempttoapplythisjoint“macromodel”totheoverallframe.Andthecalculationmethodofaxialstiffnessofthespringinthis“macromodel”isproposedinthispage.
(3)Thearticleusesatime-historyanalysisontwoframestructuresofjointsheardeformationandnojointsheardeformationbythesoftwareofSAP2000.Thecalculationresultshavebeengotbychangingthemaximumseismicaccelerationparametersandthejointparameters.ThecomparativeanalysisshowthattheSoftwareresultsandthelawabovementionedofvariousfactorsofjointsheardeformationisessentiallythesame.
(4)TheimpactofjointsheardeformationontheoverallframedependsontheSeismiclevel.Theeffectwillbeincreasedwiththeincreasementoftheearthquake.
KEYWORDS:
beam-columnjoint,macromodel,resiliencecurve,sheardeformation,semi-rigid,timehistoryanalysis
目录
第一章绪论1
1.1节点破坏综述1
1.2国内外节点研究概况[1][6][10]2
1.3节点剪切变形研究的目的和意义4
1.4目前节点研究存在的问题[1][10]5
1.5本文研究的主要问题和所采用的方法6
第二章框架节点抗剪机理8
2.1节点核心区剪力传递机制[4][10]8
2.2钢筋混凝土框架节点剪切变形的影响因素[1][3][10][11]13
2.3节点核心区的受力性能与破坏过程[1][3][4][11]18
2.4节点剪切失效形式与破坏方式[5][10]19
2.4.1节点失效方式19
2.4.2节点受力特征与剪切失效形式23
2.4.3节点的强度和延性要求24
第三章节点核心区的剪切变形26
3.1框架节点的受力[10][11]26
3.2节点剪切变形[1][11]27
3.3现有节点模型分析[18][22][26][28][34]29
3.4本文节点的恢复力模型[30][26][23][28]32
3.4.1本文建立的节点恢复力模型32
3.4.2本文节点V-恢复力模型假定[9]32
3.4.3节点模型参数[10][11][12][21][24][29][38]34
第四章考虑节点剪切变形的整体框架分析40
4.1本文节点核心区剪切变形的分析模型40
4.2SAP2000有限元分析软件简介43
4.3半刚性混凝土框架的动力非线性分析(时程分析方法)43
4.4模型建立及相关问题44
4.4.1弹簧滞回模型的定义45
4.4.2本文所采用地震波的选用46
4.4.3框架模型参数47
4.5节点剪切变形影响因素分析51
4.5.1轴压比对节点核心区剪切变形的影响52
4.5.2剪压比对节点核心区剪切变形的影响56
4.5.3本章分析结论58
结论与展望59
1本文的主要结论59
2有待进一步研究的问题59
参考文献61
致谢64
第一章绪论
1.1节点破坏综述
框架节点是框架结构中不可缺少的一部分,所谓“框架节点”,主要是指承重框架中的梁柱节点。
具体地说,主要是指框架梁与框架柱相交的节点核心区以及与其邻近的梁端和柱端区域。
框架节点是结构传力的枢纽,它在框架中起着传递和分配内力、维持结构整体性的作用。
国内外历次大震表明[1](图1.1是2008年汶川地震时节点的典型破坏形式):
钢筋混凝土框架结构的抗震性能比较好,但是没有经抗震设防设计的钢筋混凝土框架结构却存在许多的薄弱环节,有相当数量的此类结构在八度及以上的地震作用下会产生不同程度的破坏,甚至会造成结构倒塌。
通过对钢筋混凝土框架的地震破坏分析可得出:
破坏较为突出的区域发生在柱端和梁柱节点区,其中导致整体结构破坏的主要原因之一就是节点的损坏,而且此类结构破坏后修复较为困难。
因而,梁柱节点是整个结构体系抗震的一个薄弱区域,为保证整体结构具有良好的抗震性能,所以节点应具有足够的刚度和强度。
即便在强烈地震下,节点也不应出现剪切破坏和钢筋锚固滑移破坏。
在反复荷载作用下,钢筋混凝土框架的梁柱节点受力极为复杂,因此,要提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能,保证充分发挥各个构件在抗震中的强度和延性,首先就是要加强各个构件之间的连接,使之能满足强度和刚度要求,从而保证整个结构在地震作用时的整体性。
图1.1汶川地震时节点的典型破坏形式
框架节点通常被视为刚性,但对于某些工程而言,当遭遇中震或大震时,节点处梁筋的粘结滑移及节点开裂或破坏就变得在所难免,这就不符合节点刚性的假定,这样处理很显然会忽略节点自身的剪切特性,更不能模拟出节点的破坏。
已有的试验及震害说明,节点核心区的开裂甚至破坏对于结构整体的侧移和内力会产生很大的影响。
节点变形包含两部分内容:
1)由节点剪力导致的节点核心区的剪切变形;2)由于纵筋锚固失效或者粘结刚度退化导致的梁筋粘结滑移变形。
剪切变形和滑移变形都会使结构耗能降低,结构整体位移增大。
因而,在结构地震反应分析中,考虑节点变形是十分重要的。
梁柱节点作为梁柱交接区域,受力特点非常复杂,这就决定了对于节点的研究以前大多数是利用实验方法,而很少使用数值模拟的方法。
如今,利用模型化分析框架节点的手段逐渐受到学术界的重视。
很多学者提出了构建节点模型不同的模拟手段和方法。
但是最重要一点是,无论采用何种模型,都要反映出节点核心区的剪切变形和纵筋滑移对整体框架结构的影响,这是判断计算模型是否适用的重要标准。
1.2国内外节点研究概况[1][6][10]
钢筋混凝土框架梁柱节点在地震反应分析中是受力较为复杂的结构部位。
从二十世纪六十年代末到八十年代初,国内外学者第一次比较系统的完成了钢筋混凝土平面框架节点的试验研究工作。
虽然各国研究者选择的方法和侧重点不完全相同,试验中变化参数的选取也有很大差别,但通过试验得出了关于节点抗震性能的结论,使得我们对于组合体变形逐渐加大时,第一次感性的认识了钢筋混凝土框架梁柱节点的损伤发育和失效方式。
其中最具代表性的学者有美国N.W.Hanson和S.Fuji等、新西兰R.Park、T.Paulay和美国的M.J.N.Priestley、美国J.O.Jirsa和中国访问学者张连德、日本学者青山博之以及中国胡庆昌等完成的试验研究。
由于当时各国学者对设计规范中节点设计条文制订时,对节点区传力机理和计算模型的定论存在较大差别,这使得各国设计规范或设计条文采用的抗震框架梁柱节点设计方法差异较大,按相应规范计算出的节点配箍量也相差很大。
在二十世纪八十年代,由于美国ACI318规范用“约束模型”按构造计算出的节点配箍率明显偏小,而新西兰学者在没有考虑贯通节点梁、柱纵筋粘结滑移的情况下用“桁架机构”和“斜压杆机构”的传力机制计算所得出的节点配箍率过大。
为了协调这些试验结论和设计方法上的差异,由日本的青山博之教授、新西兰的T.Paulay、R.Park教授和美国的J.O.Jirsa教授共同倡议发起了钢筋混凝土框架梁柱节点抗震性能的三国对比试验。
在这个过程中,中国同济大学的朱伯龙教授和中国建筑科学研究院的陈永春研究员也申请加入了这一联合对比试验,并且四国学者共同制定了新、美、日、中四国对比试验方案。
1990年,联合试验结束后在檀香山召开了总结会,参加试验的学者对各国试验结果进行了综合分析,最后的分析结果表明,在相同节点剪压比的条件下,新西兰规范对配箍的要求过严,虽然节点抗震性能明显比其它三国要好,但配箍量太过保守。
美国和日本配箍率最小,但节点抗震能力仍能符合规范的要求;中国配箍率比新西兰明显偏小,但比美、日略偏大,节点抗震性能同样较为满意。
虽然这次对比试验得到的最有价值收获是对抗震节点在所给定的条件下的合理配箍水准达成了共同认识,但是各国规范始终坚持自己主张的传力模型,并没有专门提出研究核心区传力的受力机理,对提高和改进人们对节点受力性能的认识并没有太大帮助。
在这次国际试验的推动下,再一次出现了节点抗震性能及设计方法研究的新高潮。
此次试验研究领域扩展到带现浇板的双向受力节点、偏置节点以及中间层端节点抗震性能受轴压力影响等方面,但仍把中间层中节点和中间层端节点作为研究主体。
与此同时,还进行了对贯穿节点核心区梁筋粘结性能的试验研究。
这些研究发现了抗震框架节点中存在的很多受力现象,改变了人们对节点受力性能中的许多传统认识。
二十世纪九十年代初,国际著名学者、日本东京大学青山博之教授对这次联合对比试验以及当时各国最新一轮节点性能研究成果进行了系统总结,发表了一系列论文著作。
他指出,这次联合对比试验是史无前例的,它由各国国家基金的大规模支持,并由此带动了各国学者在联合对比试验计划之外进行了大量的研究工作,使人们对抗震框架梁柱节点的受力特征和各种因素对节点受力的影响规律有了更新更广泛的认识,使各国通过联合对比试验肯定了各自设计规范的有效部分,明确了以后需要进一步作出改进的方法和内容,但非常遗憾的是,国际学术界未能对节点核心区的传力机理提出具有说服力的、权威的分析模型,也未能在一个合理模型的基础上提出一种能更准确反映梁柱节点在各种受力情况下受力特征的设计理论。
由此表明,当时一些知名的研究者已经认识到,上述新西兰规范和美国ACI352委员会设计建议所提出的两种节点受力模型只是从局部上反映出节点的受力特征,远没有达到全面说明节点在各种复杂受力条件下的受力特点。
二十世纪八十年代中后期,日本东京大学的北山和宏、小谷俊介和青山博之等学者的试验研究得出“约束机制”的存在。
在我国,从二十世纪八十年代中期到九十年代中期,重庆建筑大学的傅剑平和白绍良教授在总结国内外历年来许多试验研究成果的基础上,全面分析了框架节点中的传力机理,并结合他们在节点试验研究中的成果,验证了除“斜压杆机制”和“桁架机制”外还存在“约束机制”[4][5][7]的这一结论。
“约束机制”由节点核心区混凝土与约束核心区混凝土的箍筋相互作用而构成。
“约束机制”虽然不直接参与节点剪力的传递,但它却是使节点的抗剪性能持续到最大,使组合体达到更大变形时所不可或缺的一个重要前提条件,因此,它是保证节点核心区抗震性能得到充分发挥的关键。
1.3节点剪切变形研究的目的和意义
在以往的很长时间里,由于条件所限以及人们对框架节点破坏的忽视,在各国设计规范中并没有针对节点做出规定,因此,以前对节点的认识只处在初级阶段。
大约自六十年代以来,钢筋混凝土高层建筑发展很快,陆续出现了20层以上的钢筋混凝土框架结构(或框-剪结构),广泛应用了高强混凝土和大直径的高强变形钢筋,材料强度提高了,构件截面尺寸减小了,因而节点区的截面尺寸也就减小了[1]。
除此之外,梁、柱构件性能的研究也得到飞跃式进步,改善了构件的强度和延性。
这样,框架结构的薄弱环节就转移到梁柱节点区域了。
根据文献[7-10]梁柱组合体试验中得出的组合体中梁、柱以及节点核心区各自的变形曲线图,计算出各个构件变形所引起的组合体梁外端挠度占梁外端总挠度的比例(见表1.1所示)。
从表中可以看出:
当剪压比偏大时,节点核心区剪切变形占梁外端位移的百分比能达到30%左右,最大的能达到50%左右。
由于框架节点是结构传力的枢纽,在地震作用下,框架节点承担着相当大的水平剪力(比柱子承担的剪力要大4-6倍),所以产生的剪切破坏一般是脆性的。
节点同时又是结构抗震相对薄弱的部位,节点的强度、刚度和耗能能力也都会由于地震反复荷载的持续作用而逐渐降低。
因此,节点应具有足够的强度和必要的延性。
近年来,国内外学者针对节点的这一特点已进行了一系列抗震框架节点的试验研究。
近二十多年来,各种计算软件用于结构计算越来越普遍,相对于梁、柱等构件的计算软件而言,能用于节点核心区的强度计算软件则发展比较滞后,由此造成一直以来计算软件把节点当做刚性体或者计算出的节点剪力较小。
直到2006年3月,国内使用较普遍的PKPM软件中才包含了梁柱节点核心区剪力值的较准确计算方法。
而在以往的结构设计中未对节点强度进行计算,忽略了节点核心区强度和变形,这使得结构存在着严重的安全评估问题和鉴定问题。
表1.1节点剪变形γ引起的梁外端挠度占梁外端总挠度的比例[7-10]
试件
名称
轴压比
剪压比
箍筋特
征值
延性系数
(﹪)
=1
=2
=3
=4
=5
J-1
0.05
0.125
0.056
10
16
4
14
2
J-2
0.36
0.161
0.072
12
7
5
3
--
J-3
0.05
0.130
0.047
16
12
8
2
--
J-5
0.05
0.165
0.088
16
26
6
22
--
J-6
0.36
0.238
0.127
12
28
52
60
70
J-7
0.05
0.197
0.130
32
40
44
45
48
J-8
0.25
0.217
0.119
28
38
40
45
--
J-9
0.05
0.156
0.074
18
30
40
36
--
J-10
0.25
0.188
0.088
22
40
44
46
--
J-12
0.25
0.238
0.123
19
18
20
32
48
J-13
0.15
0.267
0.143
15
20
25
32
38
J-15
0.15
0.310
0.213
12
24
37
32
44
J-16
0.45
0.310
0.180
21
20
24
36
32
目前,此类问题广泛存在于钢筋混凝土框架梁柱节点(包括节点区相对薄弱的钢筋混凝土异形柱结构)。
要达到“大震不倒”的目标,其中最重要的手段是进行罕遇地震下结构的弹塑性时程响应分析或静力弹塑性推覆(Pushover)分析,但就目前的计算软件来看,很少考虑钢筋混凝土框架梁柱节点在罕遇地震下变形导致的强度退化甚至破坏的因素。
综
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