CRB600H级箍筋混凝土短柱抗震性能研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:河北省自然科学基金项目()河北省创新研究群体项目()邯郸市科技专项计划项目()河北省全职引进高端人才科研项目()作者简介:赵丽洁()女博士副教授主要从事结构健康监测研究:.通信作者:练继建()男博士教授主要从事工程水力学与水利水电工程安全方面的研究:.文章编号:():./.级箍筋混凝土短柱抗震性能研究赵丽洁朱崎峰练继建沈金生(.河北工程大学 土木工程学院河北 邯郸 .天津大学 建筑工程学院天津)摘 要:为研究高强箍筋混凝土柱抗震性能通过对 级高强箍筋混凝土短柱低周往复加载试验展开数值模拟研究 利用 中的 单元、零长度
2、截面转动弹簧单元和零长度剪切弹簧单元建立了考虑弯剪耦合效应的抗震数值分析模型 分析轴压比、剪跨比对 级箍筋柱的滞回性能、刚度退化、延性及耗能性能的影响并以 级箍筋柱进行对比分析结果表明:轴压比越大的构件水平抗剪承载力延性和耗能能力越差剪跨比越大构件的水平抗剪承载力越低延性和耗能能力越好 级和 级箍筋柱两者承载力接近 级箍筋柱延性和抗震性能更好关键词:钢筋 钢筋混凝土柱 抗震性能中图分类号:.文献标识码:(.):.:.:引言地震灾害是人类至今无法准确预测的自然灾害之一 在地震发生时柱作为建筑结构的主要承重构件世 界 地 震 工 程第 卷柱的破坏会导致建筑结构产生严重破坏柱的抗震性能对整体结构起着
3、决定性作用 与普通钢筋相比采用高强钢筋作为柱中箍筋对于柱中核心混凝土约束作用更强可以减少工程中的用钢量 随着对高强钢筋的研发为进一步推广高强钢筋在工程中的应用范围研究者分别开启了各类高强钢筋混凝土柱的受力及抗震性能的研究早期史庆轩等和 等通过对钢筋混凝土柱开展拟静力试验通过改变配筋强度、配箍率和剪跨比等参数对比研究了 级箍筋柱和 级箍筋柱的抗震性能的差异韩小雷等和万海涛等通过试验以及有限元软件对比了 级高强箍筋柱与 级箍筋柱的抗震性能上存在的差异 等通过试验的方法研究了配筋强度、配箍率和剪跨比对高强箍筋约束高强混凝土短柱抗震性能的影响 钢筋是我国近年来研发的一种高强钢筋 钢筋经过冷轧后经热处理
4、的具有较高延性可用于梁、柱箍筋和剪力墙的分布钢筋具有广阔的应用前景 郝欣等和刘伦等对 级箍筋柱与 级箍筋柱进行拟静力试验 结果表明:级箍筋柱与 级箍筋柱水平抗剪承载力接近 级箍筋对于混凝土的约束作用更好 级箍筋柱的抗震性能更好目前国内关于 级箍筋柱抗震性能研究较少构件设计参数主要集中在大剪跨比(最小为.)柱的配箍率和混凝土强度的变化受限于试验设计成本限制尚未开展关于小剪跨比短柱不同轴压比构件抗震性能研究 为此本文采用 软件在已有 级箍筋柱抗震性能试验基础上建立有限元模型将 分析结果与试验结果进行对比分析通过试验验证数值分析模型的准确性 同时进行扩大参数分析对不同轴压比(.)与剪跨比(.)下的
5、高强箍筋与 级箍筋柱的抗震性能进行了数值模拟分析为 钢筋在实际工程中的应用提供参考模型建立.数值分析模型本文利用 建立数值分析模型选取基于柔度法理论的梁柱单元 本文建立的数值分析模型如图 所示 其中:节点 和 节点 和 节点 和 之间依次为零长度截面转动弹簧单元、零长度剪切弹簧单元和非线性梁柱单元分别用于模拟试验过程中柱底纵筋产生的粘结滑移、柱的剪切变形以及弯曲变形 图 计算模型 图 滞回规则 .混凝土本构本文混凝土材料本构选取 中的 材料模型采用 模型对混凝土结构进行数值模拟具有很好的精度模型受压滞回规则如图 所示 中 模型在分析时只需确定混凝土的峰值应力、峰值应变、极限应变及相应的强度本文
6、根据数值模拟效果选用 模型为箍筋约束的核心混凝土的本构模型 由于 模型中对于约束混凝土抗压强度 计算过程比较繁琐参考 模型中给出的约束混凝土抗压强度 的近似计算公式如下式:()()式中:.和 是考虑由箍筋约束效应引起混凝土强度提高的参数 .第 期赵丽洁等:级箍筋混凝土短柱抗震性能研究(.).(.).和 是混凝土两个方向的有效约束应力 混凝土的极限应变及相应的强度由下式求得:.()()式中:为混凝土极限应变 为混凝土极限应变时的压应力 为箍筋最大拉应力对应的拉应变 .钢筋本构图 钢筋模型.本文钢筋材料采用 中的 钢筋材料模型其应力应变模型基于 模型如图 所示 模型对低周往复加载试验能够很好的模拟
7、且收敛效果好 模型本构参数主要包含:弹性模量、屈服强度 和钢筋硬化率 以及对 滞回关系进行调整的、和 三个参数 中建议范围为:.本文中:和 等参数由试验结果确定.滑移材料试验过程中柱底纵筋与混凝土之间会产生粘结滑移其材料模型选取 等提出的 模型该模型能很好的模拟试验中产生的钢筋粘结滑移变形粘结滑移骨架曲线如图 所示 钢筋滑移材料模型由、和 等参数控制其中:为钢筋弹性模量 为钢筋屈服应力 为屈服滑移量 为极限应力 为极限滑移量 为刚度折减系数 为钢筋在循环荷载下的捏缩系数 计算公式如下:.()/.()式中:为纵筋直径 是局部粘结滑移参数根据 取.为纵筋屈服强度 为混凝土轴心抗压强度 另根据经验计
8、算可得:()取(.)取(.)模型的滞回规则如图 所示图 应力滑移骨架曲线图.图 模型的滞回规则.世 界 地 震 工 程第 卷.剪切材料本构本文使用 提出的剪切失效模型 该剪切失效模型使用 和 的共同作用来定义剪切弹簧的加卸载滞回规则 发生破坏时构件的位移构成如图 所示 在建模中捏缩参数 和 的取值范围为 到 的区间参考文献取.本文损伤参数 和 均取 图 柱位移模型.用于判别剪切破坏的发生以及确定发生剪切破坏后剪切弹簧的骨架曲线 当剪切破坏发生时混凝土柱的总响应由非线性梁柱单元的弯曲变形和剪切变形时的响应组成弹簧剪切退化刚度和总响应的刚度退化系数 可由下式计算:()()式中:表示梁柱单元的卸载刚
9、度 为柱的水平抗剪承载力 为剪切破坏时柱的总位移 为柱轴力失效时的总位移 ./.()()()式中:为剪切破坏时柱的总位移 为柱的净高度 为配箍率 为截面最大剪应力 为混凝土圆柱体抗压强度 为轴力为柱的毛截面面积为柱轴力失效时的总位移 为箍筋间距为抗剪箍筋面积为箍筋屈服强度 为柱核心区混凝土的高度 为剪切斜裂缝与水平方向的夹角一般取 当位移延性系数 时.当位移延性系数 时.延性系数介于 时 的取值在.范围内线性变化数值模型验证.选取试验数据文献开展了 根不同参数的钢筋混凝土柱低周往复加载试验 本文选取其试验中的、和 的钢筋混凝土柱进行数值模拟验证 各构件的尺寸与材料参数见表 构件的尺寸与配筋如图
10、 所示第 期赵丽洁等:级箍筋混凝土短柱抗震性能研究图 构件截面尺寸及配筋.表 构件尺寸与材料参数 试件/()/箍筋肢数.注:为柱高 为混凝土轴心受压强度 为纵筋屈服强度 为箍筋屈服强度 为轴压比.数值模拟结果)根据试验中的、和 构件参数分别建立数值分析模型数值模拟结果与试验结果对比如图 所示 对比试验滞回曲线与数值分析滞回曲线两者吻合程度很好 由于试验加载末尾阶段会出现箍筋突然断裂这属于强非线性现象数值模拟结果与试验结果会出现一定的偏差但总体模拟结果较为准确图 试验与模拟结果对比.)试验与数值模拟骨架曲线对比如图 所示 在位移加载初始阶段构件的力位移曲线呈线性增长此时构件足够抵抗变形构件裂缝能
11、够闭合数值模拟与试验结果比较接近随着加载的持续构件逐步达到峰值承载力此时数值分析结果与试验结果吻合在加载末期由于试验中应变片处的箍筋打磨等原因导致加载世 界 地 震 工 程第 卷中箍筋断裂构件突然丧失承载力数值模拟骨架曲线与试验骨架曲线出现一定偏差但总体趋势保持一致图 试验与模拟骨架曲线对比.)由表 可知试验结果与数值模拟结果基本吻合其中:试验负向屈服荷载与模拟值相差最大这是因为构件 在加载时没有完全对中导致正向和反向加载时骨架曲线和承载力相差较大 其余构件的数值模拟结果和试验结果在各特征点的荷载基本吻合 因此可以认为数值模拟的结果具有较高的可靠性表 试验和模拟力学性能对比 试件名称加载方向屈
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