基于材料损伤模型的PC框架结构抗震性能研究

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:wangrui1006
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随着现浇预应力混凝土(Prestressed Concrete, PC)框架结构在我国地震设防区的推广与应用,对其开展抗震性能分析及评估已成为工程中的当务之急。另外,基于性能抗震设计方法业已成为各国学者研究的重点,而如何合理有效地对性能目标进行量化是该方法的核心问题之一,目前越来越多的研究者倾向于采用损伤模型。为此本文以按照我国现行规范及规程设计的现浇有粘结PC框架为基础,建立了PC框架结构的纤维单元分析模型和损伤模型;进行了HRB400钢筋及PC梁试验;通过试验验证、修正所建立的数值分析模型和损伤模型;使用基于增量动力分析(IDA)的易损性分析方法,对近场脉冲型地震动作用下PC框架的抗震性能进行分析和评估。  进行了HRB400钢筋的低周疲劳试验,得到了HRB400钢筋的本构参数;进行了三根无粘结预应力混凝土(PC)梁和一根钢筋混凝土(RC)梁的拟静力试验,试验表明:简单的增大纵筋配筋率可以提高PC梁的屈服强度,但其延性可能降低;纵向配筋率相同时,所施加的预应力越小,梁的滞回曲线越饱满,但其极限承载力变化不大,延性也没有明显改善;RC梁的滞回曲线比PC梁饱满,但由于RC裂缝宽度较宽,其延性明显降低。  以OpenSees作为分析平台,选用Simplified Chang and Mander混凝土模型、ReinforcingSteel钢筋模型、使用包含Initial Strain模型或Initial Stress Material模型的Hysteretic材料模型,采用纤维梁柱单元建立了PC构件的组合式有限元模型。利用所建立的数值模型对PC梁试验进行模拟,结果表明:所建立的有限元模型通过引入平滑支座单元和包含ElasticPPGap材料的零长度单元,可以准确预测PC梁在往复荷载作用下的受力特点,可以准确模拟预应力筋的受力行为及截面的变形行为。  在Matlab中建立了基于材料损伤(刚度退化和纤维梁柱单元)的损伤模型。所建立的损伤模型使用再加载刚度退化定义混凝土纤维的损伤,使用低周疲劳准则定义钢筋纤维的损伤,使用塑性应变定义预应力筋的损伤,依次使用截面抗弯刚度退化、杆端抗弯刚度退化、楼层侧向刚度退化和结构侧向刚度退化定义截面、构件、楼层和结构的损伤。使用所建立的损伤模型对已进行拟静力试验的三根RC柱、一根PC梁、一榀RC框架和一榀PC框架进行分析。结果表明:所建立的损伤模型不仅可以相对准确地预测构件及结构的损伤状态,而且通过使用刚度组装和静力凝聚方法在各层次损伤指数间建立了紧密的联系。此外,所建立的模型为进行地震作用下大型结构多层次损伤评估打下了坚实基础。  最后,通过分析单自由度体系近场、远场地震动弹性反应谱,明确了近场与远场地震动的差别。根据我国现行规范和规程设计了抗震等级为二级的三层两跨PC框架、抗震等级为一级的六层两跨PC框架各一榀,对PC框架在近场脉冲型地震动和近场无脉冲型地震动作用下的响应特点进行了分析。之后利用所建立损伤模型,使用基于IDA的易损性分析方法对所设计PC框架的抗震性能进行评估。结果表明:近场脉冲型地震动作用下,两榀PC框架都可以满足多遇地震、罕遇地震的抗震要求,但六层PC框架的最大层间位移角平均值已非常接近限值;在近场地震动作用下,三层PC框架、六层PC框架都可以实现“混合耗能机制”,近场脉冲型地震动并未改变PC框架的耗能机制;按现行规范和规程所设计的两榀PC框架可以满足“大震不倒”的抗震要求,可以满足生命安全、防止倒塌的性能要求。提取近场脉冲型地震动的脉冲成分,分析了脉冲参数对PC框架响应的影响,结果表明:PC框架损伤指数与Ap和Sap(T1,ξ)具有较强的相关性,建议选用Sa(T1,ξ)作为地震动调幅参数;PC框架损伤指数与Vp相关性较弱;Tp/T1存在多个值(2.8、4.8、10.5)使PC框架出现较大损伤值。建议在结构设计过程中应充分考虑脉冲效应的影响,避免所设计结构超出特定的性能水准。
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