配有高强钢筋高强混凝土框架结构抗震性能试验研究

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本文的主要工作是对配有高强钢筋高强混凝土框架结构进行了抗震性能试验研究。与传统钢筋混凝土结构相比,高强钢筋高强混凝土框架是更加有效和经济的结构体系。除了充分利用材料的经济性方面,研究表明此结构在强度方面比普通钢筋混凝土框架结构更优秀,延性性能方面也能够满足抗震要求。在国内首次对1/2比例两个自由度试验子结构及六个自由度计算子结构的八层高强钢筋高强混凝土框架结构进行了子结构拟动力试验研究,并运用OpenSees对该结构进行了非线性地震反应分析,主要的研究成果可以概括为以下几个方面。(1)研究了轴压比系数和体积配箍率等因素对配有高强钢筋高强混凝土柱的滞回特性的影响并确定了其在不同抗震性态水平条件下的变形指标。通过试验结果分析了配有高强钢筋高强混凝土柱试件的破坏形态、变形能力、滞回特性等抗震性能指标。基于配有高强钢筋高强混凝土柱试件的低周反复加载试验结果,采用修正Park-Ang模型对12个配有高强钢筋高强混凝土柱试件进行了不同位移角幅值下的损伤指数计算对比分析。基于不同性能水平下的变形和相关参数试验结果,提出了以裂缝宽度和纵向钢筋应力水平、残余变形、极限转角分别作为正常使用、可修和避免倒塌等性能水平的评定参数,并建议了相应性能水平的限值。与试验结果的对比显示,该模型可以合理的反映不同参数高强混凝土柱的损伤发展过程,可为高强混凝土结构基于性态的震损评估提供参考。(2)拟动力试验结合了拟静力试验和振动台试验的优点,是非常有效和具有发展潜力的抗震试验方法。将子结构技术应用到拟动力试验中使拟动力试验有了更广泛的应用范围。本文根据子结构法拟动力试验的原理及特点阐述对子结构法拟动力试验方法。通过对配有高强钢筋高强混凝土框架结构进行子结构拟动力试验,当试验子结构采用多自由度时,不仅能够得到全结构的地震反应,还可较好地反映试验子结构在地震作用下力和位移的分布方式,并且可得到不同性质楼层在地震作用下的滞回耗能特性。试验结果与地震反应观测结果吻合得较好。研究结果表明,进行子结构法拟动力试验时试验子结构的合理选取是试验成功的关键。所以,子结构拟动力试验方法对研究高强混凝土结构的试验性能来说是很有效的工具。(3)本文利用MTS生产的电液伺服加载系统,分别对两个缩尺比例为1/2的两层两榀单跨的框架模型进行抗震试验研究。首先,采用经过调幅的具有不同地震加速度峰值的三种地震波作为激励进行拟动力试验,共采用10种工况加载,重点研究了这种结构在地震过程中动力特性的变化、裂缝出现情况、滞回性能、弹性和弹塑性阶段的地震反应及抗震性能;然后,再对试件进行低周往复的拟静力试验。试验结果(加速度、水平位移、以及基底剪力等)表明:此类高强混凝土框架结构具有较好的抗震性能。本文的试验研究成果为在地震区采用高强混凝土框架结构提供了一条有效的途径。(4)本文研究了配有高强钢筋高强混凝土框架结构的耗能性能与抗震能力。结合拟动力和拟静力试验的结果,分析了高强钢筋高强混凝土框架结构在地震作用下的滞回反应和耗能能力,探讨了结构在地震作用下的破坏机理,滞回特性及薄弱环节或部位,结构的延性系数达到4.0以上,等效阻尼系数达到0.055以上。试验结果表明,此类结构具有较好的变形和耗能能力,抗震性能较好,所提出的方法能够用于地震区高强混凝土框架结构体系之中。(5)本文完成了配有高强钢筋高强混凝土框架结构与构件的数值模拟分析并与试验结果进行了对比分析。基于前期关于配有高强钢筋的高强混凝土柱及节点进行了理论与试验研究,本文利用OpenSees程序,进行了试验框架的数值分析研究,同时也考虑了混凝土单元塑性铰、P-△效应及应变硬化率等特点,重点对比分析了结构的响应。有限元分析结果表明:前期工作中提出的配有高强钢筋的高强混凝土柱的恢复力模型适用于框架结构地震反应分析,并证明模拟模型的有效性。根据峰值位移和结构的总体反应,模型结构的数值分析结果和实测响应吻合得相当好。在试验后阶段的工况中出现一些偏差,这可能是由于刚度退化及损伤积累的影响,这种情况很难在模拟分析中实现,今后还需做进一步研究工作。
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