考虑动力效应的钢筋混凝土柱抗震性能研究

论文摘要

钢筋混凝土结构在地震作用下的动力响应通常会受到荷载速率的影响,而钢筋混凝土柱作为主要的承重构件,其在不同加载速率下的抗震性能研究尚且较少,同时,目前的结构抗震设计规范并未涉及由荷载速率引起的钢筋混凝土构件力学性能和变形性能变化方面的条款。本文基于试验研究和数值计算相结合的方法,分析了地震荷载速率作用下钢筋混凝土柱的率敏感性对其力学特性的影响,主要内容归结如下：（1）试验研究了加载速率对钢筋混凝土柱力学性能和变形性能的影响。主要考虑的因素有：剪跨比、轴压比、混凝土强度、纵筋强度等级、纵向配筋率、体积配箍率、加载模式（单向加载、双向加载和变轴力加载）和加载速率。试验结果表明,随着加载速率的提高,构件的屈服承载力和极限承载力均有所增加,且屈服承载力增加的程度更为显著；加载速率的提高导致构件的强度退化、刚度退化和损伤加剧,延性略有降低,耗能则有所增加；轴力变化加剧了构件的率敏感性,使构件在加载后期提前失稳；双向加载过程中存在的耦联作用则进一步加剧了柱强度退化和刚度退化的进程。另外,基于理论分析发现,在快速加载条件下柱的截面受压区高度略有减小,加载速率导致柱的抗弯承载力的增长水平远高于抗剪承载力,同时,加载速率的提高致使构件的破坏机理也发生明显改变。（2）试验研究了钢筋混凝土柱在不同加载路径下的动力特性,主要考虑的加载路径有：单向循环加载、十字形加载、菱形加载和圆形加载路径。试验结果表明,加载路径和加载速率的综合作用使柱的强度退化、刚度退化、延性降低程度均明显提高；通过双向加载条件下的等效阻尼比计算结果,可以看到,圆形加载路径下柱的耗能能力最强;加载速率使柱的荷载-位移骨架曲线在加载后期斜率下降更为迅速,这种现象在菱形加载路径下表现更为显著；经过回归分析给出了不同加载路径下静力和动力加载的等效阻尼比计算的经验公式。（3）基于OpenSees中的分布塑性铰模型,数值计算给出了不同材料应变率下柱单调加载条件下的荷载-位移关系曲线和地震作用下柱的动力响应,并通过回归分析给出了不同材料应变率下柱极限承载力的动力增长因子经验公式。另外,基于OpenSees中的BeamwithHingesElement单元,引入钢筋和混凝土材料的应变率效应,考虑了构件的双向弯曲、轴力的耦联作用及剪切、粘结滑移效应,编制了钢筋混凝土柱的Tcl程序,对不同加载路径下的钢筋混凝土柱进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• CONTENTS
• 图表目录
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 材料的动态力学性能
• 1.2.1 加载速率对混凝土力学性能的影响
• 1.2.2 加载速率对钢筋力学性能的影响
• 1.2.3 加载速率对钢筋与混凝土之间粘结性能的影响
• 1.2.4 加载速率对钢筋混凝土构件力学性能的影响
• 1.3 钢筋混凝土柱在多维加载及不同加载路径下的力学性能
• 1.3.1 变轴力加载条件下柱的力学性能
• 1.3.2 向加载及不同加载路径条件下的柱力学性能
• 1.3.3 地震荷载作用下的构件力学性能
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 试件设计及加载装置
• 2.1 引言
• 2.2 试验过程介绍
• 2.3 试验概况
• 2.3.1 试件设计
• 2.3.2 加载装置介绍
• 2.3.3 测量仪器及内容
• 2.3.4 加载方案
• 2.4 本章小结
• 3 试验结果及分析
• 3.1 引言
• 3.2 试件基本力学性能分析
• 3.2.1 荷载—位移关系曲线
• 3.2.2 屈服承载力与极限承载力关系
• 3.2.3 延性
• 3.2.4 刚度退化
• 3.2.5 强度退化
• 3.2.6 累计耗能
• 3.2.7 累计损伤
• 3.3 考虑动力效应的计算结果分析及破坏机理研究
• 3.3.1 钢筋应变率
• 3.3.2 加载速率对受剪承载力和受弯承载力的影响
• 3.3.3 屈服弯矩和屈服旋转角的计算
• 3.3.4 破坏机理分析
• 3.4 本章小结
• 4 加载路径对钢筋混凝土柱动力特性影响的试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验设计与加载方案
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 滞回曲线
• 4.3.2 荷载-位移骨架曲线
• 4.3.3 延性
• 4.3.4 刚度及强度退化
• 4.3.5 能量累计与等效阻尼比
• 4.3.6 等效阻尼比模型
• 4.3.7 钢筋应变率
• 4.4 本章小结
• 5 有限元方法的实现及柱动力响应规律的研究
• 5.1 引言
• 5.2 ABAQUS对钢筋混凝土柱动态加载过程的数值模拟
• 5.2.1 有限元模型
• 5.2.2 ABAQUS数值模拟结果
• 5.3 OpenSees对钢筋混凝土柱动态性能的数值模拟
• 5.3.1 Opensees程序介绍
• 5.3.2 动力单调加载过程的Opensees有限元模型建立
• 5.3.3 动力单调加载过程的OpenSees数值模拟结果
• 5.3.4 材料应变率对钢筋混凝土柱动力特性的影响
• 5.4 多维动态加载条件下有限元方法的实现
• 5.4.1 研究背景
• 5.4.2 集中塑性铰梁单元
• 5.4.3 零长度单元及粘结滑移本构模型
• 5.4.4 非线性剪切模型
• 5.4.5 材料本构模型
• 5.4.6 数值模拟结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 博士期间参与的科研项目及工程项目
• 致谢
• 作者简介