考虑钢筋粘结滑移影响的钢筋混凝土框架地震反应分析

论文摘要

现代抗震理论强调,在强烈地震作用下,钢筋混凝土框架结构的屈服后抗震性能主要由构件的较强非弹性变形能力来体现,即在保证必要承载能力的前提下,通过构件稳定的滞回变形特性耗散地面运动输入的能量。在梁铰机构和梁柱铰机构这些主要耗能机构中,非弹性变形主要集中在框架节点和底层柱底附近（即梁端塑性铰区和柱底塑性铰区）。构件塑性铰区的变形有两部分组成:①弯曲变形;②由滑移引起的构件端部转角。分析模型在反映构件端部的非线性变形方面的准确程度对评价结构的地震反应和相应的破坏过程具有重要意义。很多研究者分析了中间节点纵筋滑移对结构地震反应的影响,但还没有人研究底层柱底和边节点纵筋滑移,或者同时考虑框架三个位置处（底层柱底、中间节点和边节点）纵筋滑移对结构整体和局部地震反应的影响。研究者提出了很多模拟钢筋粘结滑移的模型化方法。其中最常用的是在构件端部附加单独考虑纵筋滑移的非线性转动弹簧,但由于该方法在确定非线性弹簧本构模型时的经验性,以及在考虑变化轴力对滑移的影响方面存在不足,因此,新的基于纤维的模型化方法必须克服这些困难。在纤维模型的基础上,通过在构件端部附加一个单独考虑滑移的零长度截面单元的模型化方法能较好解决上述问题。本文首先进行了基于构件的模型校准,然后把此方法引入一个平面框架,考察了不同位置处纵筋滑移对框架整体和局部地震反应的影响规律;引入一个空间框架,考察纵筋滑移对框架抗震性能的影响。主要的研究内容和主要结论为:①基于方柱（与框架底层柱配筋、锚固条件相似）的校准,考察了在非线性梁柱单元和零长度截面单元中采用不同混凝土模型定参方法对模拟结果的影响。将弯曲转角、滑移引起的固端转角等模拟结果分别与柱的低周反复试验数据进行对比,验证了此模型化方法,确定了滑移材料模型的定参。选择了两个与框架边节点受力和锚固条件相似的悬臂梁试件进行了模拟结果与试验结果的对比分析,验证了此考虑钢筋粘结滑移的模型化方法在考察框架边节点梁筋滑移方面的适用性和准确性。本文在程序内首次实现了对两点加载框架中间节点试验的模拟。鉴于锚固在中间节点内的梁筋与锚固于框架边节点内和基础内柱纵筋在受力特征、锚固条件方面的区别,本文采用了能够代表中间节点纵筋滑移变形滞回特征（“Z字型”）的钢筋应力-滑移变形材料模型。基于四个节点试验的校准,验证了此滑移材料模型及定参方法。②将经过校准的钢筋滑移模型化方法引入一个平面框架结构。分别进行了:不考虑滑移、仅考虑底层柱底纵筋滑移、仅考虑中间节点纵筋滑移、同时考虑中间节点和边节点纵筋滑移、同时考虑柱底纵筋和节点纵筋滑移共计五种不同的模拟分析,考察了不同位置处纵筋滑移对框架抗震性能的影响。对比分析得出的主要结论有:1)只考虑柱底滑移有增大框架整体反应的趋势,使底部三层梁端的弯曲转动增大,降低底层柱底端部弯曲转角;2)只考虑中间节点纵筋滑移情况下,框架顶点最大位移增大,与中间节点相连的梁端弯曲转角减小,但弯曲转角在叠加了对应位置处的滑移转角后,与不考虑滑移情况基本相同,说明节点滑移只是改变了构件端部变形的组成成分。3)同时考虑中间节点和边节点纵筋滑移时,框架顶点位移比只考虑中间节点纵筋滑移情况还要大,但增大的幅度减小。梁端弯曲转角降低。4)同时考虑柱底和节点纵筋滑移对框架顶点位移的增大幅度比其它三种情况都大。与只考虑中间节点纵筋滑移和考虑节点纵筋滑移相似,梁端弯曲转角减小,但叠加了对应的滑移变形后,与不考虑滑移基本相似。无论柱还是梁,端部弯矩-弯曲转角具有相似的特点:考虑滑移的峰值承载力均比不考虑滑移时略有降低,最大弯曲转角减小;将弯曲转角与滑移转角叠加之后,其和与不考虑滑移时的弯曲转角基本相同,这表明纵筋滑移改变了柱和梁端截面总变形的组成方式,即由不考虑滑移的纯“弯曲”变为更相符实际的“弯曲”加“滑移”。③本文把上述纵筋滑移模型化方法引入一设防烈度为八度的多层民用空间框架,进行了同时考虑底层柱底纵筋和所有节点纵筋滑移与不考虑滑移的对比。得出的主要结论为:考虑滑移后,空间框架仍为梁柱铰机构,但柱铰数量比梁铰多且前者转动较大。不论X向还是Y向,考虑滑移后,框架顶点位移比不考虑滑移有增大的趋势,塑性铰数量基本无变化,底层柱的层累计最大弯曲转角减小,第二层柱累计转角被放大,滑移对其它层柱的影响不明显。由于梁的非线性程度较低,所以考虑滑移后梁端转动变化不明显。综上所述,在纤维模型基础上,在构件端部附加单独考虑钢筋粘结滑移作用的零长度截面单元的模型化方法能够很好的模拟构件的受力性能,通过量化构件端部纵筋滑移对结构、构件变形的影响,可更准确评估构件各种变形的组成比例,提高了纤维模型的精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本文所研究的纵筋粘结滑移类型
• 1.2 纵筋粘结滑移研究现状
• 1.2.1 粘结应力-滑移关系的研究
• 1.2.2 考虑纵筋粘结滑移影响的结构分析方法
• 1.3 本文的主要目的
• 1.4 本文的研究内容
• 2 基于纤维模型的钢筋粘结滑移的模型化方法
• 2.1 考虑纵筋滑移的模型化方法
• 2.2 纵筋应力－滑移本构模型
• 3 结构非线性分析程序OPENSEES 介绍
• 3.1 程序概述
• 3.2 本文分析所涉及的OPENSEES 模块介绍
• 3.2.1 有限元模型的建立
• 3.2.2 非线性分析模块
• 3.2.3 计算结果的输出控制
• 4 模型验证
• 4.1 钢筋混凝土悬臂柱
• 4.1.1 试验资料
• 4.1.2 材料模型参数
• 4.1.3 模拟结果与试验结果对比
• 4.1.4 小结
• 4.2 钢筋混凝土悬臂梁
• 4.2.1 试验资料
• 4.2.2 材料模型参数
• 4.2.3 模拟结果与试验结果对比
• 4.3 钢筋混凝土梁柱节点
• 4.3.1 试验资料
• 4.3.2 材料模型参数
• 4.3.3 加载方法
• 4.3.4 模拟与试验结果对比
• 4.4 本章小结
• 5 钢筋混凝土平面框架非线性分析
• 5.1 钢筋混凝土框架结构设计
• 5.2 建立有限元模型时的参数取值
• 5.2.1 材料本构模型的参数确定
• 5.2.2 结构竖向荷载的确定
• 5.2.3 结构质量矩阵的确定
• 5.2.4 结构阻尼矩阵的确定
• 5.3 地震波的选择与处理方案
• 5.4 结构非线性计算结果的后处理
• 5.4.1 杆端转角的确定
• 5.4.2 延性值的确定
• 5.5 结构非线性计算结果
• 5.5.1 整体反应
• 5.5.2 塑性铰分布规律
• 5.5.3 梁、柱层累计弯曲最大转角
• 5.5.4 梁、柱层累计最大转角
• 5.5.5 杆端截面滞回规律
• 5.6 本章小结
• 6 钢筋混凝土空间框架非线性分析
• 6.1 钢筋混凝土框架结构设计
• 6.2 建立有限元模型时的参数取值
• 6.2.1 材料本构模型的参数确定
• 6.2.2 竖向荷载、质量矩阵和阻尼矩阵的确定
• 6.2.3 梁柱抗扭刚度取值
• 6.3 地震波的选择与处理方案
• 6.4 空间框架柱屈服判断
• 6.5 结构非线性计算结果
• 6.5.1 整体反应
• 6.5.2 塑性铰分布规律
• 6.5.3 梁柱累计弯曲最大转角
• 6.5.4 杆端截面滞回规律
• 6.5.5 柱底截面中钢筋的滑移量
• 6.6 本章小结
• 7 结语
• 7.1 主要的研究内容和结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 平面框架塑性铰分布
• C. 空间框架配筋信息
• D. 空间框架分析采用地震波加速度时程
• E. 柱底截面中钢筋的滑移量时程曲线