發(fā)布時(shí)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(jiàn)的震害現(xiàn)象,二者均會(huì)降低柱構(gòu)件的抗震性能,并且不利于其震后修復(fù),需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及評(píng)估中予以關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)柱縱筋屈曲開(kāi)展的研究相對(duì)不足,關(guān)于縱筋屈曲影響因素的認(rèn)識(shí)尚未統(tǒng)一,針對(duì)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(jiǎn)單構(gòu)造措施對(duì)縱筋屈曲進(jìn)行防范,缺少相關(guān)材料本構(gòu)模型及受力分析模型用于計(jì)算。另外,對(duì)于柱受剪性能分析,雖然已有較多相關(guān)研究,但其中仍存在問(wèn)題有待改進(jìn),包括柱壓彎剪作用分析、縱筋抗剪貢獻(xiàn)計(jì)算等。為此,本文針對(duì)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(jì)算等方面進(jìn)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(diǎn),通過(guò)理論推導(dǎo)建立了鋼筋受壓屈曲分析方法,并結(jié)合本文開(kāi)展的鋼筋受壓屈曲試驗(yàn)及以往研究相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證;采用本文所提方法進(jìn)行計(jì)算分析,研究了長(zhǎng)徑比、屈服強(qiáng)度、強(qiáng)屈比對(duì)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(zhǎng)徑比的增大,鋼筋受壓屈曲會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力軟化效應(yīng),屈服強(qiáng)度的降低和強(qiáng)屈比的提高則會(huì)減緩鋼筋屈曲后應(yīng)力的下降,所提出的本構(gòu)模型能夠合理描述相關(guān)因素的影響規(guī)律。(2)考慮應(yīng)變相關(guān)性引入屈服后剛度比調(diào)整公式對(duì)Bouc-Wen模型進(jìn)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(qiáng)度退化及受壓屈曲應(yīng)力軟化效應(yīng)的能力;結(jié)合Newton-Raphson迭代法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算,并在已有鋼筋滯回性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上采用遺傳算法識(shí)別模型控制參數(shù),之后根據(jù)參數(shù)識(shí)別結(jié)果及理論分析,建立了模型參數(shù)計(jì)算公式。對(duì)于所提出鋼筋滯回本構(gòu)模型和參數(shù)計(jì)算公式的預(yù)測(cè)精度,均通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行了驗(yàn)證。(3)基于本文所提鋼筋滯回本構(gòu)模型,推導(dǎo)得出材料切線模量計(jì)算式,進(jìn)而采用C++語(yǔ)言在OpenSees計(jì)算平臺(tái)完成鋼筋材料模型的二次開(kāi)發(fā),并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其有效性;建立纖維梁柱單元分析模型,進(jìn)而通過(guò)計(jì)算分析研究了縱筋屈曲對(duì)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(huì)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(guān),強(qiáng)震作用下柱縱筋屈曲會(huì)加劇框架結(jié)構(gòu)的層間位移響應(yīng)。(4)以傳統(tǒng)纖維截面分析法為基礎(chǔ),引入修正壓力場(chǎng)理論描述鋼筋混凝土柱受剪特性,同時(shí)考慮縱筋屈曲及P-Δ效應(yīng)的影響,將柱受力過(guò)程分為彎曲控制及剪切控制兩個(gè)階段,分別對(duì)控制截面受拉區(qū)和受壓區(qū)進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)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(jī)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(jìn)行合理分析。(5)基于截面受力平衡及變形協(xié)調(diào)分析對(duì)鋼筋混凝土柱在不同位移延性條件下的受剪承載力進(jìn)行計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù),提出彎剪破壞鋼筋混凝土柱受剪承載力計(jì)算公式,彌補(bǔ)了以往研究中對(duì)縱筋抗剪貢獻(xiàn)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(guān)系,與現(xiàn)有規(guī)范及研究中的計(jì)算公式相比,所提出的公式進(jìn)一步考慮了縱筋配筋情況的影響,最終計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度更好。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：TU375.3
【部分圖文】：

和經(jīng)濟(jì)??損失。２０１８年聯(lián)合國(guó)減災(zāi)辦公室（ＵＮＩＳＤＲ）及災(zāi)害流行病學(xué)研宄中心（ＣＲＥＤ）發(fā)布??報(bào)告指出，在過(guò)去的２０年中（１９９８年－２０１７年），地球物理災(zāi)害（主要是地震）造成??的死亡人數(shù)超過(guò)其他任何類(lèi)型的自然災(zāi)害，累積死亡人數(shù)為７４．７萬(wàn)人，其中僅印度洋大??地震及其引發(fā)的海嘯就導(dǎo)致了?２９．２萬(wàn)人遇難。此外，２０年間由地震災(zāi)害產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損??失高達(dá)４５０００多億元人民幣，占所有類(lèi)型自然災(zāi)害的２３％。強(qiáng)烈地震作用會(huì)導(dǎo)致工程結(jié)??構(gòu)的破壞甚至倒塌，是地震災(zāi)害的重要來(lái)源之一。圖１．１所示為全球地震模型協(xié)會(huì)（ＧＥＭ）??于２０１８年發(fā)布的全球地震風(fēng)險(xiǎn)地圖［２］，該圖采用各國(guó)建筑地震致?lián)p程度反映其地震風(fēng)險(xiǎn)??水平，可以看出，我國(guó)多個(gè)地區(qū)地震風(fēng)險(xiǎn)水平較高，包括西南地區(qū)、西北地區(qū)、華北地??區(qū)、臺(tái)灣省等。實(shí)際上，我國(guó)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(dòng)，２０世紀(jì)以來(lái)共發(fā)生６級(jí)以上地震近８００次，其中１９７６年唐山地震（７．８級(jí)）及??２００８年汶川地震（８．０級(jí)）更是影響極大�？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，我國(guó)仍將處于較??高地震風(fēng)險(xiǎn)水平，需要進(jìn)一步提高工程結(jié)構(gòu)安全性，加強(qiáng)對(duì)地震災(zāi)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(huì)直接引起結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)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(guò)大（截面過(guò)孝混凝土強(qiáng)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(hù)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(fù)的狀態(tài)［１（）］。一般而言，箍筋約束強(qiáng)度較低（間距過(guò)大或直徑較�。�、縱筋直徑較孝??軸壓比過(guò)高、水平側(cè)移過(guò)大等都會(huì)造成柱縱筋屈曲的發(fā)生。縱筋屈曲不僅會(huì)降低其自身??承受豎向荷載的能力，導(dǎo)致核心混凝土所受壓力增大，而且會(huì)增大箍筋應(yīng)變，甚至導(dǎo)致??箍筋被拉斷，進(jìn)而削弱核心混凝土受約束程度。由此可見(jiàn)，縱筋屈曲對(duì)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(jìn)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(guān)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(huì)使柱的震后修復(fù)變得極為不便，甚至不能再修復(fù)繼續(xù)使用鑒于縱筋屈曲??對(duì)柱構(gòu)件的受力性能影響較大，且會(huì)增加柱震后修復(fù)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(shè)計(jì)及分析中予以關(guān)注。??■Ｉｆ！??（ａ）框架柱頂?（ｂ）框架柱底?（ｃ）

丨４均通過(guò)限定構(gòu)件變形給出了相應(yīng)的能力等級(jí)。綜上可知，鋼筋混凝??土柱構(gòu)件受剪性能分析對(duì)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(shè)計(jì)及評(píng)估??均至關(guān)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(jì)算分析方法。??１．２國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展??１．２．１鋼筋屈曲分析及其本構(gòu)模型??以往進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析時(shí)，作為一種材料，一般認(rèn)為鋼筋的受壓和受??拉力學(xué)特性是相同的。事實(shí)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(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度與直??徑之比）條件下的鋼筋單調(diào)受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線�？梢钥闯觯�當(dāng)鋼筋受壓試樣長(zhǎng)徑比較??小時(shí)，其受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線與受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線基本相同，如圖１．３（ａ）所示；當(dāng)鋼筋??受壓試樣長(zhǎng)徑比較大時(shí)，鋼筋會(huì)發(fā)生屈曲，此時(shí)鋼筋受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線與受拉應(yīng)力－應(yīng)??變曲線不再一致，如圖１．３（ｂ）及圖１．３（ｃ）所示。由此可見(jiàn)，在鋼筋混凝土柱抗震性能分??析中，當(dāng)縱筋受壓發(fā)生屈曲后，其受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線不應(yīng)再采用圖中虛線表示的與受??拉相同的曲線，而應(yīng)采用受壓屈曲應(yīng)力－應(yīng)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(zhǎng)徑比較小?（ｂ）長(zhǎng)徑比居中?（ｃ）長(zhǎng)徑比較大??圖１．３鋼筋平均應(yīng)力－應(yīng)變曲線??Ｆｉｇ．?１．３?Ａｖｅｒａｇｅ?ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ?ｃｕｒｖｅｓ?ｏｆ?ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ?ｂａｒｓ??－４－??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2877570