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不同冲剪方向下板柱节点抗倒塌性能研究

2021-09-06 10:18:45
近年来国内板柱结构连续倒塌事故不断被报道,引发了工程界对板柱结构体系工程可靠性和设计方法的担忧。从2015年起,清华大学、北京工业大学和澳大利亚格里菲斯大学合作在该领域开展了系列的合作研究,涉及约束节点冲剪全过程的受力机理试验[1]、精细数值模拟方法[2]和冲剪后抗力计算理论,以及子结构的静动力连续倒塌机理试验[3-5]、精细和简化数值模拟方法[6]和动...

近年来国内板柱结构连续倒塌事故不断被报道,引发了工程界对板柱结构体系工程可靠性和设计方法的担忧。从2015年起,清华大学、北京工业大学和澳大利亚格里菲斯大学合作在该领域开展了系列的合作研究,涉及约束节点冲剪全过程的受力机理试验[1]、精细数值模拟方法[2]和冲剪后抗力计算理论,以及子结构的静动力连续倒塌机理试验[3-5]、精细和简化数值模拟方法[6]和动力效应规律,后继还将不断深化各方向的研究并陆续报道。

[1] Post-punching mechanisms of slab-column joints under upward and downward punching actions, Magazine of Concrete Research, 2019, DOI: 10.1680/jmacr.19.00217

[2] Simulation of punching and post-punching shear behaviours of RC slab–column connections, Magazine of Concrete Research, 2020, DOI: 10.1680/jmacr.19.00465 (参见:新论文:钢筋混凝土板柱节点冲切及冲切破坏后行为的数值模拟)

[3] Load transfer and collapse resistance of RC flat plates under interior column removal scenario, Journal of Structural Engineering-ASCE, 2018, 144(7): 04018087.(参见:新论文:中柱失效后板柱结构连续倒塌传力机理研究)

[4] Experimental study on the progressive collapse behaviour of RC flat plate substructures subjected to corner column removal scenarios, Engineering Structures, 2019, 180: 728-741. (参见:新论文:角柱失效后平板结构连续倒塌行为实验研究)

[5] Experimental study on the progressive collapse behaviour of RC flat plate substructures subjected to edge-column and edge-interior-column removal scenarios, Engineering Structures, 2020, 209: 110299. (参见:新论文:边柱以及边中柱失效后平板结构连续倒塌行为试验研究)

[6] Comparative and parametric studies on behaviour of RC flat plates subjected to interior column loss, Journal of Structural Engineering-ASCE, 2020, (accepted)

01、研究背景

板柱节点在冲剪破坏后,穿过冲剪破坏界面的钢筋受周边板的面内约束,可以通过受拉以悬挂机制的形式提供传力路径。传统板柱结构常规受力和抗震性能的研究重点主要集中在小变形下的节点冲剪承载力,而连续倒塌是结构系统在大变形下的力学行为,节点冲剪后的受力对结构系统连续倒塌行为仍有显著影响,因此认识板柱节点冲剪破坏后的受力机理和承载力发展是分析整体板柱结构系统连续倒塌的基础。现有研究对面内约束节点在大变形冲剪破坏后受力机理认识不足,相关计算理论缺乏。

板柱结构节点在倒塌过程中存在两种破坏模式(如图1所示):1) 向上冲剪破坏(Upward Punching Shear, UPS),呈倒锥形的破坏形态,一般由楼面超载引起的直接或间接的内力重分布造成的倒塌破坏;2) 向下冲剪破坏(Downward Punching Shear, DPS),呈锥形的破坏形态,由对板向上的作用力导致,可能由爆炸或飓风等因素引起。此外,由于连续倒塌触发原因和倒塌过程的复杂性,在内力重分布的作用下,相邻的板柱节点可能出现UPS和DPS两种破坏模式。以往板柱节点的研究还主要针对常规受力或抗震受力下的UPS破坏模式,如果需要研究板柱结构系统的连续倒塌,则需要对DPS也进行充分的研究。      


图 1. 连续倒塌中板柱结构节点破坏模式

另外,我国规范对无柱帽的平板节点以及有抗震要求的板柱节点,要求设置暗梁进行加强,并给出了较为详细的构造要求。国外规范在存在较大不平衡弯矩的结构边缘处的柱轴线附近的楼板、以及板抗冲剪承载力不足且板厚无法增加时,设置暗梁用以提高抗扭和抗冲剪强度。加入暗梁后,受约束的板柱节点在冲剪全过程的受力行为产生变化,也是值得研究的重要因素。

02、试件设计

为了分析大变形下两种冲剪后板柱结构的抗连续倒塌性能,本文制作了4个考虑边界面内约束的节点试件(1/3缩尺),如图2和3所示。楼板范围选择中柱破坏后楼板受弯时的反弯点处。由于加载中采用千斤顶通过位移控制对柱头施加向下的力,为模拟该处在小变形受弯时仅提供面内轴向约束而转动约束被释放,UPS试件的板顶钢筋在支座处弯折进入板底,在加载时上部素混凝土受拉开裂,释放转动约束(图3d)。UPS和DPS试件各1组,每组试件中分别包含一个无暗梁的试件和一个有暗梁的试件,两组试件中的有暗梁试件分别记为UPS-S1和DPS-S1。分析了板柱节点在不同冲剪方向以及加强措施下的破坏和失效机理,为连续倒塌的研究和工程设计提供参考。


图2. 原型结构及试验装


图3.  试件配筋图

03、试验结果

试件承载力-位移曲线及破坏模式如图4-6所示。不同冲剪破坏方向下无暗梁板柱节点受力性能有较大区别:1)由于负弯矩筋布置更加密集,UPS-1的抗冲剪承载力较DPS-1高16%;2)悬挂机制阶段,UPS-1整体性刚筋先断裂,数量较多的负弯矩筋能够在后期发挥较大承载力并导致悬挂机制的峰值位移加大,而DPS试件钢筋断裂次序相反;3)纵筋首次断裂后,UPS试件负弯矩筋从混凝土中拔出,而DPS试件整体性刚筋端部可靠约束仅部分从混凝土中拔出,负弯矩筋将楼板核心混凝土部分剪碎,两试件表现出不同的破坏机理,如图5所示。

对于有暗梁试件,由于暗梁中箍筋的约束作用,UPS-S1和DPS-S1的悬挂机制受力几乎相同,如图6所示。此外, 暗梁能够同时提高试件受弯机制和悬挂机制的承载力峰值,且可提高悬挂机制下的变形能力,与UPS-1、DPS-1相比, UPS-S1和DPS-S1的抗冲切承载力分别增大了97%和72%,而相应的位移也增大了37%。


图4. 试件荷载位移曲线


 图5. 不同冲剪方向试件破坏模式对比


图6. 有无暗梁试件破坏模式对比

04、有限元模拟

基于LS-DYNA有限元软件,进行3D实体建模,与试件结果吻合良好(如图7)。具体建模方法见微信公众号的另一篇推送:新论文:钢筋混凝土板柱节点冲切及冲切破坏后行为的数值模拟。


图7. 试验与数值模拟荷载位移曲线比较

基于数值分析结果,图8给出了四个试件在冲切区内的混凝土以及六根穿柱钢筋对整体承载力的贡献。在冲切破坏发生之前,混凝土和钢筋这两种材料在冲切区域内协同工作。从图8所示的曲线可以看出,在所有试件中,冲切区内的混凝土贡献了约一半的承载力,而在所有试件中6根穿柱钢筋对总承载力的贡献均小于10%。在冲切破坏发生后,冲切区内的混凝土对承载能力几乎没有贡献,只起到对钢筋的锚固作用。在UPS-1和DPS-1的无暗梁试件中,冲切破坏后,穿柱纵筋的贡献占比达到99%之多。然而,对于UPS-S1和DPS-S1(图8(c)和(d)),由于箍筋提供的约束作用形式改善了结构的整体性,所以暗梁内的所有板内钢筋都对整体承载能力产生贡献。因此,6根穿柱钢筋的贡献降低到总承载的50%左右。


图8. 板内钢筋和混凝土对承载力的贡献占比

05、主要结论

(1) 板柱结构发生冲剪破坏后,承载力和变形由穿柱纵筋决定,穿柱纵筋的断裂会导致承载力的突降,当穿柱纵筋全部断裂时,承载力基本丧失;

(2) 对于无暗梁试件,由于UPS-1和DPS-1试件冲剪方向不同,导致DPS与UPS钢筋断裂次序相反,两试件表现出不同的破坏机理;

(3) 暗梁使得穿柱纵筋受力和变形协调,导致不同冲剪方向下的悬挂机制受力无明显区别(UPS-S1和DPS-S1)。暗梁能够同时提高试件受弯机制和悬挂机制的承载力峰值,且可提高悬挂机制下的变形能力;

(4) 基于数值结果分析,在无暗梁试件中,板内穿柱钢筋对试件冲切破坏后的承载力贡献超过99%。对于有暗梁梁试件,柱带内筋箍筋的约束有助于提高板的整体性和延性,改变板柱节点的破坏模式。由于更多钢筋参与受力,穿柱钢筋对总承载力的贡献降低到50%。

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