新型混凝土板柱节点受冲切性能及其结构地震破坏机理与设计方法研究

In order to improve the punching shear behavior of reinforced concrete(RC) slab column connections and the seismic behavior of the structures, based on the practical engineering in China, this project proposes the a new type of slab-column connections with the built-in space steel truss as punching shear keys and the strengthening measures by setting hidden beams in the column strips. The project is studied by using theoretical analysis, experimental research and numerical simulation. The reasonable layout and content of space steel truss will be studied firstly. The punching shear mechanism and behavior of new-type RC slab-column connections under vertical loads are analyzed. Then the calculation model and design method of punching shear capacity are established. By studying the damage mechanism and hysteretic behavior of the new-type RC slab-column connections under simulated seismic action, the calculated method of punching shear capacity is established in consideration of the unbalanced moment, as well as the design condition to avoid punching failure is identified. By establishing the nonlinear macroscopic mechanical model and the analysis methods, evolution mechanism, energy dissipation mechanism and seismic behavior will be studied from the local to the whole in the seismic damage. By studying the distribution regularity of seismic energy, rational damage mechanism of the new-type RC slab column structures will be proposed. By studying the seismic behavior and the distribution regularity of seismic internal force, the seismic performance levels and targets of the new-type slab-column shear wall structure will be established, and damage mechanism-based seismic design methods will be proposed. There is significant value in this research for enriching the seismic design method of RC structures and the application of the slab-column shear wall structures.

结合我国工程实际，以提高混凝土板柱节点受冲切性能及其结构抗震性能为目标，提出内置型钢空间桁架抗冲切键新型板柱节点和在板柱结构柱上板带设置暗梁加强措施。通过理论分析、试验研究和数值模拟，研究内置型钢空间桁架的合理配钢设计，研究新型板柱节点在竖向荷载作用下的受冲切破坏机理和性能，建立其受冲切承载力计算模型和方法；研究新型板柱节点在模拟地震作用下的受冲切破坏机理和滞回性能，建立其考虑不平衡弯矩影响的受冲切承载力计算模型和方法，并提出避免节点发生冲切破坏的条件。建立新型混凝土板柱结构非线性宏观力学模型和分析方法，研究其从局部到整体的地震损伤演化、耗能机制和抗震性能，建立其地震能量分配规律，提出其合理地震损伤破坏机制。研究新型混凝土板柱-剪力墙结构的抗震性能和地震内力分配规律，建立其抗震性能水准和性能要求，提出其基于损伤机制的抗震设计方法。研究成果对丰富混凝土结构设计理论和推广应用具有重要的价值。

本项目紧密结合工程实际，通过理论分析、模型试验和数值模拟，对混凝土（RC）板柱节点受冲切性能及其结构地震破坏机理展开深入研究。定量分析了各主要国家现行规范中RC板柱节点受冲切承载力模型的计算模式不定性，结果表明，现行计算模式服从对数正态分布和正态分布。基于修正压力场理论，建立RC板柱节点抗冲切承载力的计算模型和计算方法，计算与试验结果吻合良好，具有更好的适用性。提出一种内置钢桁架的RC板柱节点构造形式，通过竖向荷载试验揭示其受冲切性能和破坏模式，建立了其受冲切承载力计算方法，结果表明：钢桁架可提高节点的受冲切承载力和残余承载力，提高腹杆配钢率可提升节点受冲切承载力和变形能力。研发了一种内置竖向钢板RC板柱节点的构造形式，分别通过竖向荷载冲切试验及考虑不平衡弯矩的冲切试验，分析了其受冲切性能、破坏模式、损伤演化和滞回特性等，揭示了不平衡弯矩对冲切承载力的退化机理，根据临界剪切裂缝理论，提出其受冲切承载力计算方法，结果表明，竖向钢板对板柱节点受冲切性能具有明显改善效果，增加钢板厚度和延伸长度可提高其受冲切承载力。提出了一种模拟竖向钢板加强钢筋混凝土板柱节点冲切破坏的非线性有限元方法，模拟与试验结果吻合较好。采用机器学习方法建立了板柱节点不平衡弯矩承载力预测模型，结果表明，机器学习预测模型的精度整体优于规范，建议将XGBoost作为机器学习算法的首选。建立了混凝土板柱节点裂缝处剪应力与裂缝宽度的关系，提出考虑临界裂缝倾角的节点精细化数值分析模型，基于RC梁破坏机理的双重能力模型，提出了板柱节点受冲切承载力计算方法。提出了RC板柱结构弹塑性宏观力学模型和分析方法，研究了结构在模拟地震作用下的损伤演化过程、破坏机制，分析有效板厚、混凝土强度、受拉区配筋率和重剪比对结构抗震性能的影响，该方法为板柱结构抗震性能评估奠定了基础。项目研究成果对提升RC板柱结构的抗震性能和推广应用具有重要意义。