预制装配式剪力墙结构水平接缝抗震性能评价与设计方法研究

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十二五期间,随着我国城镇化进程的加快,“建筑工业化、住宅产业化”中预制装配式剪力墙结构在我国中、高层住宅建筑中将得到越来越广泛的应用。预制装配式剪力墙沿竖向采用按楼层分层预制、现场拼装的手段形成整体,所形成的预制装配式剪力墙水平接缝的连接构造是否合理将直接影响结构的整体性能。  本文结合2012年度“十二五”国家科技支撑计划《装配式建筑混凝土剪力墙结构关键技术研究》(国家科技支撑计划项目(2011BAJ10B03))及2010年江苏省普通高校研究生科研创新计划立项项目(CXLX_0127),对预制装配式剪力墙结构水平接缝的构造设计、抗震性能及进行了较系统研究。其中,通过系列验证性试验了解其抗震性能,在试验和有限元分析的基础上,将基于位移的抗震设计理论引入预制装配式剪力墙结构的抗震性能评价,对预制装配式剪力墙结构水平接缝构造相关设计方法进行了探讨。  预制装配式剪力墙体的分块预制和连接形成了两类节点:一类是剪力墙竖向连接节点,即上、下层预制剪力墙板的连接;另一类是剪力墙水平连接节点,即同层相邻预制剪力墙板之间或同层相邻预制剪力墙与非剪力墙之间的连接。  在水平地震作用下,预制装配式剪力墙竖向连接节点将直接参与受力和变形。由于水平拼缝对受剪面的削弱,若连接措施处理不当,很容易成为剪力墙构件的薄弱部位,甚至影响整体结构性能。  对于预制装配式剪力墙水平接缝,在平整的水平缝处仅有附加竖向连接钢筋穿过,附加连接钢筋用量大,水平缝抗剪主要依靠界面混凝土间通过铺设水泥砂浆的坐浆层摩擦抗剪机制提供,节点刚度较低,整体性不易保证。  基于上述原因,以及目前对预制装配式剪力墙结构水平接缝的工作机理、抗震性能评价和设计方法的研究不足,为了解预制装配式剪力墙结构水平接缝的传力机制、耗能机理及抗震性能,并探索可靠措施以改进或完善各预制构件协同工作能力,从而提高结构整体性及其抗震性能,在已完成的预制装配式剪力墙的竖向连接节点抗震性能试验的基础上,开展预制装配式剪力墙结构水平接缝新型连接节点构造的研究,通过开展相关试验、结合有限元方法及理论分析手段,进行预制装配式剪力墙结构水平接缝抗震性能评价与设计方法研究。  论文的主要工作及成果如下:  1.在广泛查阅文献的基础上,回顾总结了近年来国内外预制装配式混凝土剪力墙结构相关的已有研究成果和技术,介绍了国外部分学者的研究及我国科研工作者和相关企业开展的工作,分析比较了各自的特点。  2.提出预制装配式混凝土剪力墙结构水平接缝的几种新型连接节点构造,并进行了预制装配式剪力墙结构水平接缝的前期试验研究,包括:(1)U型闭合筋连接轴压试验研究,验证U型闭合筋传递轴向应力及在轴压下水平连接稳定效果;(2)对钢板网成孔镦头钢筋搭接连接形式进行轴压试验,掌握现浇混凝土和预制混凝土结合面的可靠性及在轴向压力荷载作用下竖向钢筋应力的传递效果;(3)波纹管浆锚钢筋拉拔试验研究,验证钢筋与灌浆料、灌浆料与波纹管、波纹管与混凝土的连接是否可靠,确定设置浆锚钢筋的锚固长度;(4)对剪力墙内竖向钢筋采用金属波纹管浆锚连接形式进行偏心拉拔的锚固性能试验,验证竖向钢筋放置在金属波纹管侧边与混凝土的粘结锚固性能。  3.进行了预制装配式混凝土剪力墙结构水平接缝的四种新型连接节点构造的抗震性能低周反复试验,包括:(1)U型闭合筋内墙;(2)波纹管浆锚内墙、外墙;(3)矩形螺旋箍筋约束波纹管浆锚连接;(4)钢板网成孔、U型钢筋对插搭接连接。对试验现象进行了详细的描述和分析,并与相应的现浇模型进行对比,主要内容包括:滞回曲线,骨架曲线,承载能力,变形能力和耗能能力等。系列试验结果表明:预制装配式混凝土剪力墙结构水平接缝的几种新型连接节点构造可以达到与现浇结构相当的抗震能力。  4.利用通用有限元分析软件ANSYS、ABAQUS,对预制剪力墙试件进行单调递增水平力作用下的非线性分析,并与拟静力试验结果进行比较,有限元模型与试验结果吻合较好。  5.基于试验成果及分析,将基于建筑抗震性能化设计的抗震设计方法引入到预制装配式混凝土剪力墙结构水平接缝的抗震性能评价中,初步确立了基于建筑抗震性能化设计的预制装配式混凝土剪力墙结构水平接缝的抗震性能指标。  6.结合低周反复试验结果,对预制装配式混凝土剪力墙结构水平接缝的新型连接剪力墙进行了承载能力和变形性能的理论分析,给出承载能力、曲率计算公式、顶点水平屈服位移公式和顶点水平极限位移公式,并与试验值进行对比,从而为此种预制装配剪力墙基于位移变形能力设计方法提供理论依据。  7.基于试验成果,结合有限元分析,对预制装配式混凝土剪力墙结构水平接缝构造的优化进行了展望、对水平接缝的抗震性能评价和抗震设计方法提出了若干建议。
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