發(fā)布時間：2020-11-10 05:59

　　 鋼筋混凝土柱縱筋屈曲及受剪破壞是地震中常見的震害現(xiàn)象,二者均會降低柱構(gòu)件的抗震性能,并且不利于其震后修復,需要在結(jié)構(gòu)設計、分析及評估中予以關注。目前國內(nèi)外對柱縱筋屈曲開展的研究相對不足,關于縱筋屈曲影響因素的認識尚未統(tǒng)一,針對柱構(gòu)件考慮縱筋屈曲影響的抗震性能模擬研究也不夠完善,且現(xiàn)行規(guī)范中大多采用簡單構(gòu)造措施對縱筋屈曲進行防范,缺少相關材料本構(gòu)模型及受力分析模型用于計算。另外,對于柱受剪性能分析,雖然已有較多相關研究,但其中仍存在問題有待改進,包括柱壓彎剪作用分析、縱筋抗剪貢獻計算等。為此,本文針對鋼筋屈曲受力分析及其本構(gòu)模型、鋼筋混凝土柱考慮縱筋屈曲及剪切作用影響的抗震性能分析、鋼筋混凝土柱受剪承載力計算等方面進行了研究,主要內(nèi)容如下:(1)根據(jù)鋼筋單調(diào)受壓屈曲的受力特點,通過理論推導建立了鋼筋受壓屈曲分析方法,并結(jié)合本文開展的鋼筋受壓屈曲試驗及以往研究相關試驗數(shù)據(jù)對其有效性進行了驗證;采用本文所提方法進行計算分析,研究了長徑比、屈服強度、強屈比對鋼筋屈曲受力特性的影響,并據(jù)此提出鋼筋單調(diào)受壓屈曲本構(gòu)模型,結(jié)果表明隨著長徑比的增大,鋼筋受壓屈曲會產(chǎn)生明顯的應力軟化效應,屈服強度的降低和強屈比的提高則會減緩鋼筋屈曲后應力的下降,所提出的本構(gòu)模型能夠合理描述相關因素的影響規(guī)律。(2)考慮應變相關性引入屈服后剛度比調(diào)整公式對Bouc-Wen模型進行修正,建立了拉-壓循環(huán)荷載作用下鋼筋的滯回本構(gòu)模型,該模型具備描述剛度退化、強度退化及受壓屈曲應力軟化效應的能力;結(jié)合Newton-Raphson迭代法對模型進行計算,并在已有鋼筋滯回性能試驗數(shù)據(jù)基礎上采用遺傳算法識別模型控制參數(shù),之后根據(jù)參數(shù)識別結(jié)果及理論分析,建立了模型參數(shù)計算公式。對于所提出鋼筋滯回本構(gòu)模型和參數(shù)計算公式的預測精度,均通過將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比進行了驗證。(3)基于本文所提鋼筋滯回本構(gòu)模型,推導得出材料切線模量計算式,進而采用C++語言在OpenSees計算平臺完成鋼筋材料模型的二次開發(fā),并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)驗證了其有效性;建立纖維梁柱單元分析模型,進而通過計算分析研究了縱筋屈曲對鋼筋混凝土柱構(gòu)件及框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,研究表明,縱筋屈曲會在一定程度上削弱柱構(gòu)件的水平承載力,其削弱程度與軸壓比、剪跨比、體積配箍率、縱筋配筋率等參數(shù)大小有關,強震作用下柱縱筋屈曲會加劇框架結(jié)構(gòu)的層間位移響應。(4)以傳統(tǒng)纖維截面分析法為基礎,引入修正壓力場理論描述鋼筋混凝土柱受剪特性,同時考慮縱筋屈曲及P-Δ效應的影響,將柱受力過程分為彎曲控制及剪切控制兩個階段,分別對控制截面受拉區(qū)和受壓區(qū)進行分析,建立了壓彎剪共同作用下鋼筋混凝土柱荷載-變形分析模型,并根據(jù)收集的試驗數(shù)據(jù)驗證了所提出模型的有效性。研究表明,不同破壞模式下鋼筋混凝土柱的受力機制差異較大,采用所提出的模型能夠?qū)ζ浜奢d-變形性能進行合理分析。(5)基于截面受力平衡及變形協(xié)調(diào)分析對鋼筋混凝土柱在不同位移延性條件下的受剪承載力進行計算,考察了軸壓比、剪跨比、配箍率、縱筋配筋率等參數(shù)的影響,結(jié)合已有試驗數(shù)據(jù),提出彎剪破壞鋼筋混凝土柱受剪承載力計算公式,彌補了以往研究中對縱筋抗剪貢獻考慮不充分的缺陷。研究表明,鋼筋混凝土柱受剪承載力與上述參數(shù)均有較大關系,與現(xiàn)有規(guī)范及研究中的計算公式相比,所提出的公式進一步考慮了縱筋配筋情況的影響,最終計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合程度更好。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TU375.3
【部分圖文】：

和經(jīng)濟??損失。２０１８年聯(lián)合國減災辦公室（ＵＮＩＳＤＲ）及災害流行病學研宄中心（ＣＲＥＤ）發(fā)布??報告指出，在過去的２０年中（１９９８年－２０１７年），地球物理災害（主要是地震）造成??的死亡人數(shù)超過其他任何類型的自然災害，累積死亡人數(shù)為７４．７萬人，其中僅印度洋大??地震及其引發(fā)的海嘯就導致了?２９．２萬人遇難。此外，２０年間由地震災害產(chǎn)生的經(jīng)濟損??失高達４５０００多億元人民幣，占所有類型自然災害的２３％。強烈地震作用會導致工程結(jié)??構(gòu)的破壞甚至倒塌，是地震災害的重要來源之一。圖１．１所示為全球地震模型協(xié)會（ＧＥＭ）??于２０１８年發(fā)布的全球地震風險地圖［２］，該圖采用各國建筑地震致?lián)p程度反映其地震風險??水平，可以看出，我國多個地區(qū)地震風險水平較高，包括西南地區(qū)、西北地區(qū)、華北地??區(qū)、臺灣省等。實際上，我國位于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，存在頻發(fā)性地震??活動，２０世紀以來共發(fā)生６級以上地震近８００次，其中１９７６年唐山地震（７．８級）及??２００８年汶川地震（８．０級）更是影響極大�？梢灶A見，未來長時間內(nèi)，我國仍將處于較??高地震風險水平，需要進一步提高工程結(jié)構(gòu)安全性，加強對地震災害的防御。??之：，＞?＇?，．ｘ??ｙ?一一?；ｖ?？，Ｔｉ?．?ｙ?■?：??＞■＇?＾ｒ％，：?＼??ｒ?氣；？．?、＿?、?，．?Ｖ?貨?＾?＼??１?＇Ｕ??１?ｆ?？?ｆ??■?．?Ｕ?‘ｆ．?…??＼?－－?Ｆ?ｒ?—?ｒ?＼?＾?／??＼?ｉ?■－?ｙ?／??ｉ?；?，?ｅａｖ?？？？？？．?＞？＊＜？０￡?一?—?＿?＿?＿??？ｋ

混凝土柱是混凝土結(jié)構(gòu)（框架結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)??構(gòu)、高樁碼頭等）的豎向承重構(gòu)件及主要抗側(cè)力構(gòu)件，其受力特性影響著結(jié)構(gòu)整體的抗??震性能，柱構(gòu)件破壞往往會直接引起結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重傾斜甚至倒塌，最終喪失使用功能Ｗ。??大量震后調(diào)查表明［３＿９］，在鋼筋混凝土柱軸壓比過大（截面過孝混凝土強度不足）以及??箍筋配置不足（箍筋間距大、配箍率不足、箍筋彎鉤不符合要求）的情況下，隨著核心??混凝土膨脹及塑性鉸區(qū)保護層混凝土脫落，柱端縱筋受壓容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，甚至外張??呈燈籠狀，并伴隨有核心混凝土壓潰破壞（圖１．２）。這一柱端震害現(xiàn)象被稱為鋼筋混??凝土柱縱筋屈曲或壓屈，也即鋼筋混凝土柱縱筋受壓失穩(wěn)，產(chǎn)生撓曲外張且變形不可恢??復的狀態(tài)［１（）］。一般而言，箍筋約束強度較低（間距過大或直徑較�。�、縱筋直徑較孝??軸壓比過高、水平側(cè)移過大等都會造成柱縱筋屈曲的發(fā)生�？v筋屈曲不僅會降低其自身??承受豎向荷載的能力，導致核心混凝土所受壓力增大，而且會增大箍筋應變，甚至導致??箍筋被拉斷，進而削弱核心混凝土受約束程度。由此可見，縱筋屈曲對鋼筋混凝土柱的??抗震性能具有重要影響，一方面，地震作用下鋼筋混凝土柱縱筋屈曲后受力特性發(fā)生變??化，進而降低柱的承載力和變形能力，混凝土結(jié)構(gòu)分析中常用的鋼筋及核心混凝土（尤??其是鋼筋）受壓本構(gòu)關系在屈曲段不再適用；另一方面，壓屈外張的縱筋及其引發(fā)的箍??筋斷裂，會使柱的震后修復變得極為不便，甚至不能再修復繼續(xù)使用鑒于縱筋屈曲??對柱構(gòu)件的受力性能影響較大，且會增加柱震后修復難度，可被定義為鋼筋混凝土柱的??破壞形式之一，有必要在結(jié)構(gòu)抗震設計及分析中予以關注。??■Ｉｆ！??（ａ）框架柱頂?（ｂ）框架柱底?（ｃ）

丨４均通過限定構(gòu)件變形給出了相應的能力等級。綜上可知，鋼筋混凝??土柱構(gòu)件受剪性能分析對于建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)及高樁碼頭結(jié)構(gòu)的抗震性能設計及評估??均至關重要，有必要考慮剪切作用影響建立柱承載力及變形能力計算分析方法。??１．２國內(nèi)外相關研究進展??１．２．１鋼筋屈曲分析及其本構(gòu)模型??以往進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析時，作為一種材料，一般認為鋼筋的受壓和受??拉力學特性是相同的。事實上，盡管鋼筋材料自身具備各向同性的特質(zhì)，但鋼筋受壓屈??曲本質(zhì)上己不屬于材料性能，而是“結(jié)構(gòu)”行為。圖１．３給出了不同長徑比（長度與直??徑之比）條件下的鋼筋單調(diào)受壓應力－應變曲線�？梢钥闯�，當鋼筋受壓試樣長徑比較??小時，其受壓應力－應變曲線與受拉應力－應變曲線基本相同，如圖１．３（ａ）所示；當鋼筋??受壓試樣長徑比較大時，鋼筋會發(fā)生屈曲，此時鋼筋受壓應力－應變曲線與受拉應力－應??變曲線不再一致，如圖１．３（ｂ）及圖１．３（ｃ）所示。由此可見，在鋼筋混凝土柱抗震性能分??析中，當縱筋受壓發(fā)生屈曲后，其受壓應力－應變曲線不應再采用圖中虛線表示的與受??拉相同的曲線，而應采用受壓屈曲應力－應變曲線。??Ｇｋ?ＣＴ｜?ａ??受拉＼?受ｎ?＼?受拉、＼????????一？、????ｒｔ?廠＾！廠??／?Ｎ?／?．Ｖ?／?？?Ｎ??Ｃｙ?Ｅ?￡ｖ?￡?￡ｘ?ｓ??⑻長徑比較小?（ｂ）長徑比居中?（ｃ）長徑比較大??圖１．３鋼筋平均應力－應變曲線??Ｆｉｇ．?１．３?Ａｖｅｒａｇｅ?ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ?ｃｕｒｖｅｓ?ｏｆ?ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ?ｂａｒｓ??－４－??
【參考文獻】

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本文編號：2877570