首页 朱明之关于建筑-公众号 装配式混凝土结构在新西兰(中)

装配式混凝土结构在新西兰(中)


在中等高度的多层建筑中,周边框架可以较好的抗震。这些框架可以用预制混凝土构件模拟现浇混凝土建造。在新西兰,建筑物采用延性预制钢筋混凝土周边框架是非常普遍的。预制混凝土结构抗震设计和施工的主要问题是寻找经济实用的连接构件的方法。这篇文章讨论外围框架节点区域的设计和细节。





预制混凝土边框的设计理念





在新西兰预制混凝土外围框架被设计成延性结构。他们的设计满足一般设计守则NZS 4203:1992和混凝土结构标准NZS 3101 :1995。


NZS 4203: 1992包含一般荷载和设计要求,包括地震、荷载组合和层间位移角限值要求。NZS 3101 :1995包含钢筋混凝土结构细节的规定。


NZS 4203:1992中考虑到框架结构延性设计的要求,其对抗弯构件在极限状态下的侧向力规定与UBC (Uniform Building Code)的规定近似。


新西兰广泛使用预制钢筋混凝土周边框架,以提供中等高度多层建筑所需的抗震性能。这些框架中的梁和柱比较坚固。使用周边框架的一个优点是,在服务设施和天花板区域之外的梁的深度可能很大,但不会影响层高。这种设计中的内部框架主要承受重力荷载,因为它们相对于周边框架具有灵活性。内部框架的柱体经过详细设计,以满足层间位移的变形要求,包括由于横隔梁的灵活性和连续楼层之间的相对层间旋转而引起的局部位移。


新西兰实践证明了带有现浇节点的预制结构可以通过设计达到与现浇结构一样的性能。对于这类建筑形式,预制构件之间的连接必须满足结构设计假定。


在新西兰,预制混凝土在建筑抗震方面的成功和广泛应用依赖于对承载力设计理念的深入理解。承载力设计确保了最理想的耗能机制,主要通过地震期间,选定的塑性铰区域发生屈服并可以被维修。而结构的其他部分不需要延性设计,故意做强以确保他们不会破坏所选塑性变形模式的强度和延展性。





节点设计





本节讨论梁柱连接节点和跨中连接。




坐在两根柱上的预制梁与柱的连接节点





在新西兰预制混凝土布置如System1。梁坐在两根柱上。梁的底部纵筋向上弯折到梁柱节点或者略露出梁柱节点。


实验表明这种连接方式与现浇具备相似的性能。这是因为柱上梁的主要破坏是整体破坏而非节点破坏。为了防止破坏发生在接头处,梁坐在柱上的距离(Sd)需满足一定长度要求。



梁底部弯锚的纵筋应被锚在节点核心区的远端。




穿过柱的预制梁与柱的连接节点





在这个体系中,预制梁为从跨中到跨中区域,如图2所示。梁柱节点被包含在预制梁内。柱钢筋通过梁柱节点的波纹钢管。管道和预制混凝土梁单元与下方柱之间的间隙进行灌浆。这个系统的跨中连接采用短距离的现浇。图3展示了新西兰现有建筑的这种连接的两种具体做法。在新西兰,灌浆处混凝土的抗压强度需比预制混凝土梁的抗压强度高10MPa。灌浆操作应该非常小心。例如,在灌浆之前,待灌浆的空隙中的混凝土应该用水饱和至少6小时。此外,施工人员应确保灌浆填充所有空的空间并且不会分离。






深梁之间的跨中连接





中等高度多层建筑物的周边框架梁通常具有小的跨高比。这些梁的重力荷载作用远小于水平地震作用。因此,这些梁的顶部纵筋与底部纵筋相同,并且反弯点接近梁的跨中。


深梁连接的问题是连接不能延伸到梁的关键端部区域。现在的ACI318规范以及前新西兰混凝土设计规范(NZS 3101:1982)的第一版要求接头位置与核芯区的距离至少大于两倍梁的有效高度(d)。因此,根据以上两本规范,梁净跨需大于4d+lc,lc为连接处的长度。


为了满足深梁的这项要求,实际操作中尽可能减小连接的长度。规范NZS 3101:1982(修订版)和新发布的规范NZS 3101:1995将预制混凝土深梁d的限值放松到2d。


人们早就认识到了这一点,带裂缝的混凝土梁内的纵筋拉力不能通过M/jd表直接估算。这是由于对角裂纹后弯曲和剪切之间的相互作用。图4说明了水平荷载作用在外框架下一种典型深梁的内力作用。



图4(a)展示出了假定的桁架模型,其表示在发生裂缝之后梁中的内力流动。根据这个桁架模型,梁内混凝土的受到剪力产生与水平方向成角的斜压应力。


图4(b)显示了重力荷载和地震作用下梁内弯矩图。在深梁内,重力荷载相对来说作用很小,实际情况下可忽略不计。


当重力荷载被忽略,拉力T’,所取截面距梁跨中的距离为x满足等式3。


等式3适用于以下x的范围,在这个范围内,平行斜压应力场存在。


梁内顶筋的拉力在以下这个范围显示出一个扇形应力场,梁端拉力T可以认为等于T0。等式3右边被称为拉力变换。规范认可拉力变换。这是因为它们要求纵向钢筋在弯曲力矩图中的理论点之外延伸一段距离d,此时不再需要纵向钢筋来抵抗弯曲。注意当x=0时,



这个拉力存在于梁内跨中顶筋和低筋。也就是说,如果剪力足够高会引起斜拉破坏,在深梁的跨中位置的连接只需要抵抗拉力T。


由等式3还可以推出

时,该角近似于用常规附加混凝土和45度桁架机构设计的梁的应力对角压缩场的倾斜角。




带重叠钩的跨中连接





图5说明了涉及重叠钩的连接细节的桁架模型。梁中的总剪切力需要通过顶部和底部钩之间的垂直连接进行局部传递,因为在模型中,重叠的钩状杆之间的任何拼接动作都被忽略。


此外,弯钩钢筋的弯曲直径应适当,以避免混凝土支柱从弯钩处辐射的过早承载失效。因此,计算应力应限制在一个值,该值与混凝土圆柱体无约束受压强度fc’有关。


斜向受压力的幅值D0由图5可以看出


将x=0,

带入等式3可知:

这是纵向钢筋中的力,必须通过跨中的重叠钩来抵抗。

将等式5的T’带入等式4,可知:

有效承载面积等于弯钩钢筋的弯曲直径乘以梁bw-2c0的有效宽度。承受的应力为

将等式6带入等式7,假定bw-2c0=0.75bw,可得

NZS 3101:1995规定最大允许应力为

强度折减系数

代入公式8,可得




嵌入式双钩钢筋的连接设计





连接细节如图7所示。根据桁架模型,梁内剪力可以通过连接区域的竖向连接传递。桁架模型表明为了达到平衡,需要在钢筋的上下落差之间进行一些拼接操作。扇形应力场随着角度从变化到通过接头的长度扩展。得到的斜角力D0以’作用,’在和’’之间。嵌入式双钩钢筋的力T’’:



其中


该区域的横向钢筋的实际布局是按图7所示布置五套箍筋。五个箍筋中的两个在每个重叠处承载部分梁剪力。V0=0.4V0。因此,等式10可改写为

对于常用的周围框梁,可以合理假定弯钩起点到弯折点的距离为0.2jd。将公式3和

代入到公式11,可得:


根据剪摩概念,在突出钢筋和双钩钢筋的每个重叠处需要的水平钢筋面积Ast为


将公式12b和公式13组合并将

代入,可得


建议在每个重叠区域周围至少有两个总面积至少为Ast的水平连接,如图8a所示。



现行新西兰和ACI规范限制了剪切摩擦机制发展时混凝土中的剪切应力,以避免过早破碎失效。剪切应力需大于0.2fc’和6MPa。



发生搭接作用的有效摩擦表面的近似值如图9所示:

作用在有效摩擦面的平均剪切应力为

将公式12b和15代入到公式16,可得

将剪切应力限值带入可得

或者


参考文献


1.Jose I. Restrepo, Robert Park and Andrew H. Buchanan,

Design of Connections of Earthquake Resisting Precast Reinforced Concrete Perimeter Frames , PCI JOURNAL, 1995.


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作者: ganggouren

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