论文部分内容阅读
随着基于性能抗震设计理论的深入研究,钢筋混凝土结构在震后的损伤评估方法和加固修复技术得到了进一步的发展。试验和实际震害调查表明,钢筋混凝土框架结构的破坏主要集中在首层柱底部的塑性铰区,特别是弯曲控制和弯剪控制的柱构件。为了对震损钢筋混凝土柱进行快速加固修复,恢复钢筋混凝土框架结构的安全性,本文提出了采用钢管(圆钢管和方钢管)对弯曲破坏和弯剪破坏的震损钢筋混凝土柱底部塑性铰破坏区进行局部修复的加固方法,其特点在于利用钢管约束混凝土的优秀性能恢复震损柱构件退化的约束作用和抗剪承载力,且钢管延伸至柱底,无需采用钢管约束混凝土中钢管底部留空隙的构造方式,施工简便快捷。针对提出的钢管加固震损钢筋混凝土柱的抗震性能,本文对其进行了有限元分析和抗震试验研究,主要研究工作和成果如下:
(1)对已有钢筋滞回试验数据进行回归分析,建立了循环加载时钢筋的卸载刚度、控制包辛格效应的参数与循环加载塑性应变的关系;考虑了钢筋受压屈曲模型和钢筋混凝土柱构件中纵筋的整体屈曲长度的计算模型;通过钢筋低周疲劳试验数据建立了循环加载时钢筋的疲劳损伤和强度退化与循环加载塑性应变的关系,同时考虑了屈曲效应的影响;提出了可以考虑刚度退化、强度退化、疲劳损伤和屈曲效应的钢筋修正单轴本构模型,适用于进行钢筋混凝土柱震损及加固有限元分析。
(2)对已有混凝土受压试验数据进行回归分析,建立了素混凝土骨架曲线中弹性模量、峰值应力对应应变的计算公式;通过约束混凝土受压试验数据建立了约束混凝土峰值应力和对应应变的计算公式;通过混凝土受压单调加载和滞回加载的试验数据,建立了混凝土骨架曲线控制参数、滞回模型中卸载塑性应变和卸载后零值点切线刚度的计算公式;提出了可以考虑损伤变化的素混凝土和约束混凝土的修正单轴本构模型,适用于进行钢筋混凝土柱震损及加固有限元分析。通过试验数据验证了建立的约束混凝土峰值应力计算公式适用于箍筋约束和钢管约束混凝土轴压承载力的计算。
(3)通过进行OpenSees有限元平台二次开发,实现了基于本文提出的钢筋和混凝土修正单轴本构模型的钢筋混凝土柱有限元分析;通过对钢筋单轴本构模型计算结果与试验结果进行对比,结果表明,本文提出的修正钢筋模型,能较准确地反映钢筋循环加载试验中卸载刚度的变化趋势和包辛格效应的影响,考虑了屈曲效应和低周疲劳损伤效应的计算结果与试验结果更加符合,验证了本文提出的修正钢筋模型的合理性;通过对混凝土单轴本构模型计算结果与试验结果进行对比,结果表明,本文提出的修正混凝土模型,能较准确地反映不同强度等级的素混凝土和约束混凝土的骨架曲线形状,以及不同约束应力下约束混凝土的滞回曲线形状,验证了本文提出的修正混凝土模型的合理性;基于本文提出的钢筋和混凝土修正材料本构模型,钢筋混凝土柱的有限元分析结果与构件试验结果吻合良好,验证了材料模型的适用性。
(4)进行了2根未震损钢筋混凝土柱和12根震损钢筋混凝土柱加固试件的低周往复加载试验,考察了预震损程度、加固方式(圆钢管、方钢管、增大截面)、钢管底部构造方式等对震损钢筋混凝土柱加固后抗震性能的影响,分析了钢筋混凝土柱初始试件和震损后加固试件的破坏形态、滞回曲线、承载能力、延性性能、耗能能力、刚度退化等抗震性能。结果表明,圆钢管加固震损钢筋混凝土柱的抗震性能最优,方钢管加固次之,增大截面加固的效果最低,钢管加固中钢管底部不留空隙的构造方式不仅施工更加方便,而且抗震性能更优。
(5)采用本文提出的钢筋和混凝土修正本构模型对钢管加固震损钢筋混凝土柱进行有限元分析,并与构件抗震试验结果进行对比,结果表明,本文提出的钢筋和混凝土修正本构模型能较好地评估钢筋混凝土柱不同预震损程度下的材料损伤状态,可得到损伤材料的初始损伤属性;与已有的钢筋和混凝土简化本构模型、精细本构模型的有限元分析结果相比,基于本文提出的钢筋和混凝土修正本构模型的有限元分析结果与试验结果更加吻合。
本文提出的考虑损伤进程的钢筋和混凝土修正本构模型和钢管加固震损钢筋混凝土柱的加固修复方法,为发展基于性能震后损伤评估和加固修复提供理论依据和试验基础。
(1)对已有钢筋滞回试验数据进行回归分析,建立了循环加载时钢筋的卸载刚度、控制包辛格效应的参数与循环加载塑性应变的关系;考虑了钢筋受压屈曲模型和钢筋混凝土柱构件中纵筋的整体屈曲长度的计算模型;通过钢筋低周疲劳试验数据建立了循环加载时钢筋的疲劳损伤和强度退化与循环加载塑性应变的关系,同时考虑了屈曲效应的影响;提出了可以考虑刚度退化、强度退化、疲劳损伤和屈曲效应的钢筋修正单轴本构模型,适用于进行钢筋混凝土柱震损及加固有限元分析。
(2)对已有混凝土受压试验数据进行回归分析,建立了素混凝土骨架曲线中弹性模量、峰值应力对应应变的计算公式;通过约束混凝土受压试验数据建立了约束混凝土峰值应力和对应应变的计算公式;通过混凝土受压单调加载和滞回加载的试验数据,建立了混凝土骨架曲线控制参数、滞回模型中卸载塑性应变和卸载后零值点切线刚度的计算公式;提出了可以考虑损伤变化的素混凝土和约束混凝土的修正单轴本构模型,适用于进行钢筋混凝土柱震损及加固有限元分析。通过试验数据验证了建立的约束混凝土峰值应力计算公式适用于箍筋约束和钢管约束混凝土轴压承载力的计算。
(3)通过进行OpenSees有限元平台二次开发,实现了基于本文提出的钢筋和混凝土修正单轴本构模型的钢筋混凝土柱有限元分析;通过对钢筋单轴本构模型计算结果与试验结果进行对比,结果表明,本文提出的修正钢筋模型,能较准确地反映钢筋循环加载试验中卸载刚度的变化趋势和包辛格效应的影响,考虑了屈曲效应和低周疲劳损伤效应的计算结果与试验结果更加符合,验证了本文提出的修正钢筋模型的合理性;通过对混凝土单轴本构模型计算结果与试验结果进行对比,结果表明,本文提出的修正混凝土模型,能较准确地反映不同强度等级的素混凝土和约束混凝土的骨架曲线形状,以及不同约束应力下约束混凝土的滞回曲线形状,验证了本文提出的修正混凝土模型的合理性;基于本文提出的钢筋和混凝土修正材料本构模型,钢筋混凝土柱的有限元分析结果与构件试验结果吻合良好,验证了材料模型的适用性。
(4)进行了2根未震损钢筋混凝土柱和12根震损钢筋混凝土柱加固试件的低周往复加载试验,考察了预震损程度、加固方式(圆钢管、方钢管、增大截面)、钢管底部构造方式等对震损钢筋混凝土柱加固后抗震性能的影响,分析了钢筋混凝土柱初始试件和震损后加固试件的破坏形态、滞回曲线、承载能力、延性性能、耗能能力、刚度退化等抗震性能。结果表明,圆钢管加固震损钢筋混凝土柱的抗震性能最优,方钢管加固次之,增大截面加固的效果最低,钢管加固中钢管底部不留空隙的构造方式不仅施工更加方便,而且抗震性能更优。
(5)采用本文提出的钢筋和混凝土修正本构模型对钢管加固震损钢筋混凝土柱进行有限元分析,并与构件抗震试验结果进行对比,结果表明,本文提出的钢筋和混凝土修正本构模型能较好地评估钢筋混凝土柱不同预震损程度下的材料损伤状态,可得到损伤材料的初始损伤属性;与已有的钢筋和混凝土简化本构模型、精细本构模型的有限元分析结果相比,基于本文提出的钢筋和混凝土修正本构模型的有限元分析结果与试验结果更加吻合。
本文提出的考虑损伤进程的钢筋和混凝土修正本构模型和钢管加固震损钢筋混凝土柱的加固修复方法,为发展基于性能震后损伤评估和加固修复提供理论依据和试验基础。