钢筋混凝土柱纵筋屈曲及受剪性能研究

发布时间：2020-11-10 05:59

　　 钢筋混凝土柱纵筋屈曲及受剪破坏是地震中常见的震害现象,二者均会降低柱构件的抗震性能,并且不利于其震后修复,需要在结构设计、分析及评估中予以关注。目前国内外对柱纵筋屈曲开展的研究相对不足,关于纵筋屈曲影响因素的认识尚未统一,针对柱构件考虑纵筋屈曲影响的抗震性能模拟研究也不够完善,且现行规范中大多采用简单构造措施对纵筋屈曲进行防范,缺少相关材料本构模型及受力分析模型用于计算。另外,对于柱受剪性能分析,虽然已有较多相关研究,但其中仍存在问题有待改进,包括柱压弯剪作用分析、纵筋抗剪贡献计算等。为此,本文针对钢筋屈曲受力分析及其本构模型、钢筋混凝土柱考虑纵筋屈曲及剪切作用影响的抗震性能分析、钢筋混凝土柱受剪承载力计算等方面进行了研究,主要内容如下:(1)根据钢筋单调受压屈曲的受力特点,通过理论推导建立了钢筋受压屈曲分析方法,并结合本文开展的钢筋受压屈曲试验及以往研究相关试验数据对其有效性进行了验证;采用本文所提方法进行计算分析,研究了长径比、屈服强度、强屈比对钢筋屈曲受力特性的影响,并据此提出钢筋单调受压屈曲本构模型,结果表明随着长径比的增大,钢筋受压屈曲会产生明显的应力软化效应,屈服强度的降低和强屈比的提高则会减缓钢筋屈曲后应力的下降,所提出的本构模型能够合理描述相关因素的影响规律。(2)考虑应变相关性引入屈服后刚度比调整公式对Bouc-Wen模型进行修正,建立了拉-压循环荷载作用下钢筋的滞回本构模型,该模型具备描述刚度退化、强度退化及受压屈曲应力软化效应的能力;结合Newton-Raphson迭代法对模型进行计算,并在已有钢筋滞回性能试验数据基础上采用遗传算法识别模型控制参数,之后根据参数识别结果及理论分析,建立了模型参数计算公式。对于所提出钢筋滞回本构模型和参数计算公式的预测精度,均通过将计算结果与试验数据对比进行了验证。(3)基于本文所提钢筋滞回本构模型,推导得出材料切线模量计算式,进而采用C++语言在OpenSees计算平台完成钢筋材料模型的二次开发,并结合试验数据验证了其有效性;建立纤维梁柱单元分析模型,进而通过计算分析研究了纵筋屈曲对钢筋混凝土柱构件及框架结构抗震性能的影响,研究表明,纵筋屈曲会在一定程度上削弱柱构件的水平承载力,其削弱程度与轴压比、剪跨比、体积配箍率、纵筋配筋率等参数大小有关,强震作用下柱纵筋屈曲会加剧框架结构的层间位移响应。(4)以传统纤维截面分析法为基础,引入修正压力场理论描述钢筋混凝土柱受剪特性,同时考虑纵筋屈曲及P-Δ效应的影响,将柱受力过程分为弯曲控制及剪切控制两个阶段,分别对控制截面受拉区和受压区进行分析,建立了压弯剪共同作用下钢筋混凝土柱荷载-变形分析模型,并根据收集的试验数据验证了所提出模型的有效性。研究表明,不同破坏模式下钢筋混凝土柱的受力机制差异较大,采用所提出的模型能够对其荷载-变形性能进行合理分析。(5)基于截面受力平衡及变形协调分析对钢筋混凝土柱在不同位移延性条件下的受剪承载力进行计算,考察了轴压比、剪跨比、配箍率、纵筋配筋率等参数的影响,结合已有试验数据,提出弯剪破坏钢筋混凝土柱受剪承载力计算公式,弥补了以往研究中对纵筋抗剪贡献考虑不充分的缺陷。研究表明,钢筋混凝土柱受剪承载力与上述参数均有较大关系,与现有规范及研究中的计算公式相比,所提出的公式进一步考虑了纵筋配筋情况的影响,最终计算结果与试验数据吻合程度更好。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TU375.3
【部分图文】：

和经济??损失。２０１８年联合国减灾办公室（ＵＮＩＳＤＲ）及灾害流行病学研宄中心（ＣＲＥＤ）发布??报告指出，在过去的２０年中（１９９８年－２０１７年），地球物理灾害（主要是地震）造成??的死亡人数超过其他任何类型的自然灾害，累积死亡人数为７４．７万人，其中仅印度洋大??地震及其引发的海啸就导致了?２９．２万人遇难。此外，２０年间由地震灾害产生的经济损??失高达４５０００多亿元人民币，占所有类型自然灾害的２３％。强烈地震作用会导致工程结??构的破坏甚至倒塌，是地震灾害的重要来源之一。图１．１所示为全球地震模型协会（ＧＥＭ）??于２０１８年发布的全球地震风险地图［２］，该图采用各国建筑地震致损程度反映其地震风险??水平，可以看出，我国多个地区地震风险水平较高，包括西南地区、西北地区、华北地??区、台湾省等。实际上，我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，存在频发性地震??活动，２０世纪以来共发生６级以上地震近８００次，其中１９７６年唐山地震（７．８级）及??２００８年汶川地震（８．０级）更是影响极大。可以预见，未来长时间内，我国仍将处于较??高地震风险水平，需要进一步提高工程结构安全性，加强对地震灾害的防御。??之：，＞?＇?，．ｘ??ｙ?一一?；ｖ?？，Ｔｉ?．?ｙ?■?：??＞■＇?＾ｒ％，：?＼??ｒ?气；？．?、＿?、?，．?Ｖ?貨?＾?＼??１?＇Ｕ??１?ｆ?？?ｆ??■?．?Ｕ?‘ｆ．?…??＼?－－?Ｆ?ｒ?—?ｒ?＼?＾?／??＼?ｉ?■－?ｙ?／??ｉ?；?，?ｅａｖ?？？？？？．?＞？＊＜？０￡?一?—?＿?＿?＿??？ｋ

混凝土柱是混凝土结构（框架结构、桥梁结??构、高桩码头等）的竖向承重构件及主要抗侧力构件，其受力特性影响着结构整体的抗??震性能，柱构件破坏往往会直接引起结构发生严重倾斜甚至倒塌，最终丧失使用功能Ｗ。??大量震后调查表明［３＿９］，在钢筋混凝土柱轴压比过大（截面过孝混凝土强度不足）以及??箍筋配置不足（箍筋间距大、配箍率不足、箍筋弯钩不符合要求）的情况下，随着核心??混凝土膨胀及塑性铰区保护层混凝土脱落，柱端纵筋受压容易发生屈曲失稳，甚至外张??呈灯笼状，并伴随有核心混凝土压溃破坏（图１．２）。这一柱端震害现象被称为钢筋混??凝土柱纵筋屈曲或压屈，也即钢筋混凝土柱纵筋受压失稳，产生挠曲外张且变形不可恢??复的状态［１（）］。一般而言，箍筋约束强度较低（间距过大或直径较小）、纵筋直径较孝??轴压比过高、水平侧移过大等都会造成柱纵筋屈曲的发生。纵筋屈曲不仅会降低其自身??承受竖向荷载的能力，导致核心混凝土所受压力增大，而且会增大箍筋应变，甚至导致??箍筋被拉断，进而削弱核心混凝土受约束程度。由此可见，纵筋屈曲对钢筋混凝土柱的??抗震性能具有重要影响，一方面，地震作用下钢筋混凝土柱纵筋屈曲后受力特性发生变??化，进而降低柱的承载力和变形能力，混凝土结构分析中常用的钢筋及核心混凝土（尤??其是钢筋）受压本构关系在屈曲段不再适用；另一方面，压屈外张的纵筋及其引发的箍??筋断裂，会使柱的震后修复变得极为不便，甚至不能再修复继续使用鉴于纵筋屈曲??对柱构件的受力性能影响较大，且会增加柱震后修复难度，可被定义为钢筋混凝土柱的??破坏形式之一，有必要在结构抗震设计及分析中予以关注。??■Ｉｆ！??（ａ）框架柱顶?（ｂ）框架柱底?（ｃ）

丨４均通过限定构件变形给出了相应的能力等级。综上可知，钢筋混凝??土柱构件受剪性能分析对于建筑结构、桥梁结构及高桩码头结构的抗震性能设计及评估??均至关重要，有必要考虑剪切作用影响建立柱承载力及变形能力计算分析方法。??１．２国内外相关研究进展??１．２．１钢筋屈曲分析及其本构模型??以往进行钢筋混凝土结构非线性分析时，作为一种材料，一般认为钢筋的受压和受??拉力学特性是相同的。事实上，尽管钢筋材料自身具备各向同性的特质，但钢筋受压屈??曲本质上己不属于材料性能，而是“结构”行为。图１．３给出了不同长径比（长度与直??径之比）条件下的钢筋单调受压应力－应变曲线。可以看出，当钢筋受压试样长径比较??小时，其受压应力－应变曲线与受拉应力－应变曲线基本相同，如图１．３（ａ）所示；当钢筋??受压试样长径比较大时，钢筋会发生屈曲，此时钢筋受压应力－应变曲线与受拉应力－应??变曲线不再一致，如图１．３（ｂ）及图１．３（ｃ）所示。由此可见，在钢筋混凝土柱抗震性能分??析中，当纵筋受压发生屈曲后，其受压应力－应变曲线不应再采用图中虚线表示的与受??拉相同的曲线，而应采用受压屈曲应力－应变曲线。??Ｇｋ?ＣＴ｜?ａ??受拉＼?受ｎ?＼?受拉、＼????????一？、????ｒｔ?厂＾！厂??／?Ｎ?／?．Ｖ?／?？?Ｎ??Ｃｙ?Ｅ?￡ｖ?￡?￡ｘ?ｓ??⑻长径比较小?（ｂ）长径比居中?（ｃ）长径比较大??图１．３钢筋平均应力－应变曲线??Ｆｉｇ．?１．３?Ａｖｅｒａｇｅ?ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ?ｃｕｒｖｅｓ?ｏｆ?ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ?ｂａｒｓ??－４－??
【参考文献】

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本文编号：2877570