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层间剪切的原理是
(见图2.1.43c)
基于设计基础剪力(图2.1.28)的系统超强度为
如果我们选择使用6#11bar的替代方案,系统的超强度将是1.77,这大大低于UBC[2.9]建议的2.8。蓝皮书[2.17]建议的超强度范围是从1.25到2.0。
评论:UBC[2.9]允许采用本例中描述的量化lt;o的方法。差异是(1.77与1.44)清楚地表明,梁强度(理想屈服力矩Myi)的小幅度增加(23%)会对位于地震荷载路径上的构件产生影响。
2.1.3.3屈服后行为 仔细看看施加在塑料铰链上的旋转。如图2.1.32所示,考虑16- ft梁中的铰链区域。框架层间位移为2%时,梁的挠度(delta;b)为
.
施加在铰链区域上的合成旋转可按照第2.1.1.2节所述进行:
(等式2.1.7a)
(见等式2.1.7b)
然后根据图2.1.11的曲率模型计算塑性铰区域(=0.5h)所需的旋转
(见等式2.1.8)
塑性铰区的平均屈服后曲率为
(等式2.1.9)
εcp=phi;pc (等式2.1.10a)
= 0.00148(5)
εcu=εcp εcy (等式2.1.10b)
=0.0074 0.001
=0.0084in./in.
由于theta;p的发展过程中没有考虑梁柱节点和柱的变形,因此这种框架梁在2%的层间位移情况下具有良好的性能。
评论:注意此处使用的程序与第2.1.1节中用于预测试验梁应变状态的程序相同。只要设计者使用一致的方法来设计和评估试验数据,得到的设计结论就应该是合理的。
表2.1.1中描述的曲率和应变状态之间的关系基于特定的材料应力-应变关系。值得怀疑的是混凝土上的压缩荷载是如何发展起来的,这里给出了计算机算法
图2.1.33在变形极限状态下传递给梁柱节点的力。
关于第一原理的方法。梁柱节点中的钢应变状态将在第2.3节中探讨。当荷载反向时,拉伸屈服将从两侧延伸到接头中。接头内的粘结劣化将降低从柱一侧受拉应变硬化钢向柱另一侧受压屈服钢转变的可能性,如第一性原理分析中所假定的。该算法假定的阻力水平不太可能通过压缩加固来实现。
图2.1.33中描述了最保守的假设,以及在接近变形极限状态时可能出现的假设。此处,钢筋的抗拉强度(lambda;oTy1)直接转移到柱的另一侧。因此,梁柱界面处的力传递不涉及受压钢筋。
在这种最坏情况下传递的压缩力为
Cc=lambda;o(Ty1 Ty2)
考虑这种转移机制的影响,认识到这样一个事实,即堆芯外部的混凝土将无效,而堆芯内部的混凝土将受到良好的限制:
其中bh是约束混凝土梁宽度或有效宽度:
这表明中性轴的深度是11到12英寸。
现在,与铰链区域曲率相关的应变状态为0.00148 rad/in。变成
εc=phi;pc
=0.00148(12)
=0.0178 in./in.
观察到,如果我们选择6#11钢筋设计,混凝土中的相关应变状态将相当高。
结论:显然,所进行的分析并没有得出“确切”的答案。然而,所探讨的程序确实提出了可能的应变水平,并确定了基于变形的边界。它们可以而且应该仅用于做出设计决策。在这种情况下,我的决定是使用图2.1.28b中描述的梁。铰链区域的限制是有保证的,预计可能的楼层漂移约为2%。梁铰链区域内的拉杆配置应为中间梁钢筋组提供横向支撑(第2.1.1.4节)。
2.1.4预制混凝土梁
混凝土预制提供了各种各样的制造和装配选项。经济的解决方案在很大程度上取决于制造商的能力和承包商对特定预制构件或系统集成到建筑中的方式的舒适度。因此,创新是创建成功解决方案的关键,因为选项很多。
从设计角度来看,框架梁选项可分为两类:模拟现浇混凝土结构的选项和在能够承受屈服后变形的构件之间提供连接的选项。我们将这些设计方案称为“竞争性”和“屈服性”。术语“联合预制”也用于识别设计用于在预制接口处屈服的预制混凝土构件。[2.18]这两种方法如图2.1.34所示。图2.1.34中的系统a、b和d是模拟的,因为预计屈服后旋转将发生在远离预制构件连接点的混凝土梁中。
图2.1.34b中描述的行为可以通过多种方式实现。图2.1.35显示了如何将后张拉和常规加固结合起来,从而迫使塑性铰区域远离预制构件接合点。例如,图2.1.34d中描述的行为可以如图2.1.36中概念上所示实现。在这里,梁可以铸造到任何实际长度,并通过机械连接器或湿铸接头在远离塑性铰区域的位置进行拼接。柱高一层,与灌浆套管或专有连接件连接,能够提高钢筋的断裂强度。
图2.1.34a中所述的预制树系统在20世纪70年代被夏威夷的AlYee有效地使用。在20世纪80年代早期,Rockwin公司(现在是Coresplab的一部分)开发了一种H形的树柱变体(图2.1.37)。
图2.1.34根据构件连接件位置对预制延性框架进行分类。
这个系统被用来建造他们的总部,它在惠蒂埃地震中幸存下来,没有受到破坏。
不幸的是,仿真系统很少超越原型,这通常是因为原型的成本,包括其开发,超出了预期。这些类型的系统需要设计团队和建设者之间的密切协调。只有当业主采用某种形式的设计/建造交付系统时,才有可能。
无论采用何种类型的仿真系统,基本设计均遵循第2.1.2节中制定的程序。连接件的设计遵循基于强度的概念,必须基于容量。这意味着连接器必须达到塑料铰链的可能强度。因为替代连接类型的数量基本上是无限的,而且其他人理解并很好地描述了负载传递机制,所以我们的重点是屈服连接。
图2.1.35坚固的不屈服预制连接。
图2.1.36连续梁预制框架体系。
屈服连接件的成本效益需要一个简单而有效的机制来传递剪力和力矩;因此,在探索梁系统的设计之前,将讨论这些基本的荷载传递机制。
2.1.4.1力矩传递 是什么使屈服连接不同于现浇梁中的塑性铰?答案在于屈服后旋转发生区域的应变分布。在第2.1.1节中,我们假设
图2.1.37Rockwin公司开发的预制建筑系统。
并证明了现浇梁中的屈服后旋转将发生在塑性铰区域上(图2.1.25)。在这个塑性铰区,混凝土和钢筋的应变被当作是恒定的。在柱面处连接预制梁和柱时,将创建一个弱化平面。这导致大部分旋转发生在该不连续处,并且这种情况将影响弯曲连接中的应变状态以及剪切传递机制。
在现浇系统(图2.1.38a)中施加的钢筋约束将倾向于分布在一个区域,该区域延伸一定距离超过塑性铰区域(),并且通常穿过梁柱接头(第2.3节)。预制构件连接产生的弱化平面导致这种变形几乎完全发生在接口处。在预制梁和柱之间产生的间隙附近的小得多的区域会发生脱粘(theta;p,图2.1.38b)。在预制组件中,脱粘长度似乎为db量级,因为钢筋通常灌入提供约束和促进楔入作用的管道中。当我们讨论混合动力系统时,这将在第2.1.4.4节中进行更详细的讨论。无论增加的脱粘长度有多大,应该清楚的是,在预制系统中施加在受拉钢筋上的极限应变将明显大于在现浇系统中施加在受拉钢筋上的极限应变。
例如,考虑图2.1.27中描述的梁和系统是由预制构件制成的。根据华盛顿大学(University of Washington)的测试,预制组件中的脱粘区域尚未公布,
图2.1.38塑性铰区域现浇和预制系统。
在所创建的间隙的每一侧可能只有db。施加在#10钢筋上的屈服后应变必须发生在
2(plusmn;1db) theta;p(dminus;c)=2.5 theta;p(dminus;c)(2.1.45)
中性轴深度约为5.5英寸。在强度极限状态下(表2.1.1)。与3%旋转(theta;)相关的产生间隙(delta;b)约为
delta;b=theta;p(dminus;c)(2.1.46)
=0.03(23)=0.69in.
诱导的屈服后应变为
.
.
评论:这超过了软钢的可能断裂应变(图2.1.54)。观察到较小杆件中的应变状态将显著增大,这导致杆件(#3和#6)在NIST[2.8]对混合梁系统的比例模型测试中破裂,见图2.1.47b。
结论:当连接件预计屈服时,必须特别注意施加在连接两个预制构件的受弯钢筋上的应变水平。当使用这种屈服连接(图2.1.38b)时,建议有意剥离梁/柱界面处的抗弯钢筋。
出于比较目的,考虑在3弧度旋转时施加在现浇示例梁(图2.1.27)受拉钢筋上的应变。保守地假设,用于钢应变计算的有效脱粘区域为
2(db)=16 2.5 (2.1.47)
=18.5in.
更现实地说,如第2.1.3.3节和第2.3节所述,如果子组件经受几个大的屈服后变形循环,则脱粘可能会延伸到接头。因此,必须将随后的应变投影视为相当保守的。
中性轴深度约为(见表2.1.1)
c≌5.5in.
因此
dminus;c=28.5minus;5.5
=23in.
平均曲率变成
(见等式。2.1.9和2.1.47)
.
保守地说,基于分析的应变状态变为
εs=phi;p(dminus;c)
= 0.00162(23)
=0.037 (≌18εy)
很明显,这解释了为什么我们从来没有看到梁酒吧断裂在现浇延性框架。
2.1.4.2剪切传递 自20世纪60年代以来,混凝土接缝间的剪切传递一直是华盛顿大学Mattock[2.19]的一个重点研究课题(见第1.3.2节)。当时主要关注的是在开裂平面、施工缝和钢-混凝土界面之间的剪力传递,这些通常是连接所依赖的。这种剪切传递机制被称为“剪切摩擦”,并且非常重视界面的纹理和穿过接缝的钢筋数量。从本质上讲,假设穿过接缝的钢筋屈服,通过其平衡压缩对应物产生摩擦阻力。[2.6, Sec. 11.7.4]ACI[2.6, Sec. R11.7.4.3]评注承认需要使用“人为的高摩擦系数。因此,计算的剪力将与试验结果合理一致。”
基本剪切传递强度意味着剪切摩擦系数(micro;)为0.6到1.4。
Vn=Avffymicro;(见参考文献2.6,公式11-25)(2.1.48)
Avffy本质上是夹紧载荷,可以用作用在接头上的永久可靠压缩力来代替或补充(见等式1.3.19)。
micro;是代码中
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