【建筑黑科技】钢筋混凝土分段式连梁抗震性能研究及应用
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研究背景
连梁是耗能构件，在中、大震下率先屈服耗能，且往往是剪切破坏。让连梁承担楼面梁荷载，可能会引发中、大震下楼盖垮塌。因此《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》均规定：楼面梁不宜搁置在连梁上。
常规解决方案
斜梁
常见的处理方式是将楼面梁布置成斜梁，避开连梁。但楼面梁布置成斜梁会造成材料损耗大、施工不便、不利于房间分割和不利于设备布置等问题。结合一实际工程分别设计直梁方案和斜梁方案，进行方案综合比选，发现直梁方案更具优势。
斜梁方案
直梁方案
直梁
楼面梁设为直梁并支撑在连梁上时，连梁内需要设大吊筋或钢骨。当楼面梁不处于框筒结构连梁的中部或连梁跨高比较大时，大吊筋不易布置。而连梁内设置钢骨时，剪力墙的边缘构件通常需要设置钢骨暗柱，钢骨节点构造复杂，用钢量较大。
连梁设置大吊筋
新型解决方案
分段式连梁
为满足连梁支撑楼面梁的实际需求，提出一种新型的钢筋混凝土分段式连梁，兼具承重和耗能双重性能。分段式连梁由耗能段和承重段组成，耗能段在中、大震作用下屈服耗能；承重段在中震作用下不屈服，大震作用下仍能承担楼面梁传来的竖向荷载。
分段式连梁示意图
钢筋混凝土分段式连梁承重段比耗能段高，楼面梁支撑在承重段，并在承重段与楼面梁交接处按悬臂构件设置单面吊筋，在承重段与剪力墙之间设置箍筋加强段。
钢筋混凝土分段式连梁构造示意图
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分段式连梁抗震性能分析
拟静力试验
为考察钢筋混凝土分段式连梁在设计地震（包括小震、中震及大震）作用下的破坏过程，设计联肢墙试件进行拟静力试验，研究分段式连梁抗震性能。
试件制作与安装
试件制作过程
试件安装过程
低周往复加载
根据《建筑抗震试验规程》，水平向加载按位移加载控制，加载等级参考试件1的屈服位移△，在每个等级循环3次。当水平加载位移达到3△时，结构相当于承受极罕遇地震作用。
循环加载制度
试件加载过程
连梁破坏情况
试验过程中发现连梁耗能段先破坏，发生屈服耗能，承重段基本完好，仍能够支撑楼面梁，实现了预期设计目标。
有限元数值模拟
有限元分析模型
根据试验建立精细化有限元模型，采用ABAQUS内嵌的塑性损伤本构，进行分段式连梁损伤破坏全过程分析。剪力墙、楼板和分段式连梁均采用实体单元模拟，钢筋采用桁架单元模拟并嵌入到实体单元中。
有限元模型
有限元计算结果
混凝土受压损坏云图
钢筋塑性应变云图
通过精细化有限元分析，可以得到钢筋混凝土分段式连梁损伤破坏全过程，并且通过混凝土损伤区域和钢筋屈服区域来考察其受力性能以及破坏机理。
试验与有限元对比
滞回曲线对比
骨架曲线对比
破坏形态对比
数值计算结果与试验结果对比表明：采用基于ABAQUS精细化有限元分析方法，可以准确描述钢筋混凝土分段式连梁的损伤破坏全过程。采用精细化有限元分析不仅可以直接得到构件的滞回性能，而且还能根据构件的受压损伤区域判断其破坏形态，为工程设计提供依据。
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分段式连梁工程应用
钢筋混凝土分段式连梁已在两个实际工程中的到了应用，如下图所示。
应用分段式连梁的实际工程
楼盖梁布置图
工程现场
结束语
本研发团队提出了一种钢筋混凝土分段式连梁，该连梁能够支撑楼面梁，兼具承重和耗能双重性能。通过拟静力试验研究其抗震性能，利用精细化有限元数值模拟技术对试验进行了验证。试验和分析结果表明：钢筋混凝土分段式连梁能够达到预定的性能目标。目前，钢筋混凝土分段式连梁已在实际工程得到应用。
设计成员
李霆、张慎、王杰
试验成员
胡晓斌、杜新喜、程明、刘武、卢钦旺
中南建筑设计院 工程数字技术中心
电话：027-87265723 / 027-87338287
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