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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 14:34:59
板柱结构连续倒塌近年来国内外板柱结构连续倒塌事故不断报道,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。板柱结构,具有建造方便、施工成本低、外形美观、使用空间大等优点,目前在国内外得到广泛应用。但是,由于板柱节点处易引发具有脆性破坏特征的冲剪破坏,易触发结构系统的连续倒塌。传统板柱结构的研究重点主要集中在小变形下的节点冲剪...

板柱结构连续倒塌

近年来国内外板柱结构连续倒塌事故不断报道,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。

板柱结构,具有建造方便、施工成本低、外形美观、使用空间大等优点,目前在国内外得到广泛应用。但是,由于板柱节点处易引发具有脆性破坏特征的冲剪破坏,易触发结构系统的连续倒塌。传统板柱结构的研究重点主要集中在小变形下的节点冲剪破坏,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,有必要对面内约束节点在大变形冲剪破坏后的受力机理进行深入研究。

近日,北京工业大学李易副研究员与澳大利亚Griffith大学关红教授,清华大学陆新征教授等人合作,围绕板柱节点在冲剪破坏后大变形下的抗连续倒塌行为进行了系统研究,相关论文以“Post-punching mechanisms of slab-column joints under upward and downward punching actions”为题发表在Magazine of Concrete Research期刊上。论文第一作者为Griffith大学博士研究生刁梦竹,她主要从事钢筋混凝土板柱结构和框架结构的连续倒塌机理和火灾连续倒塌模型方面的研究工作,于2016年获北京工业大学硕士学位,将于2021年夏季获Griffith大学博士学位。研究工作获中国国家自然科学基金面上项目(51578018),澳大利亚研究理事会Discovery Project项目(DP150100606),北京科技新星计划项目(xx2017093)和北京工业大学国际合作种子基金项目(2018-A04)支持。

关于本文

本研究通过对4个考虑边界面内约束的节点试件进行的试验和模拟研究(1/3缩尺,不同冲剪方向的无暗梁试件和有暗梁试件),分析了大变形下板柱结构的抗连续倒塌性能及其在不同冲剪方向以及加强措施下的破坏和失效机理。

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;

对于无暗梁试件,不同冲剪方向的试件(UPS-1和DPS-1)的钢筋断裂次序相反,两种试件表现出不同的破坏机理;

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;

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%。对于有暗梁试件,柱上板带内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%。


图1.连续倒塌中板柱结构节点破坏模式


(a) 平面图 (mm)


(b) 试验装置
图 2. 原型结构及试验装置


(a) DPS-1 & UPS-1


(b) DPS-S1 & UPS-S1
图3.  试件荷载位移曲线


图4.  不同冲剪方向试件破坏模式对比


(a) UPS-1


(b) UPS-S1
图5.  有无暗梁试件破坏模式对比


(a) DPS-1 & UPS-1


(b) DPS-S1 & UPS-S1
图6.  试验与数值模拟荷载位移曲线比较


 (a) UPS-1


 (b) DPS-1


 (c) UPS-S1


 (d) DPS-S1
图7.  板内钢筋和混凝土对承载力的贡献占比

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