钢筋混凝土柱斜向抗震性能及其加强方法研究

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《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用,各方向的水平地震作用由该方向抗侧力构件承担,两个主轴方向分别满足“强柱弱梁”等抗震验算要求即可。然而,强震记录和震害调查表明,无论是地面运动还是结构地震反应都是多维的,并且强地震动输入方向不一定在结构的主轴方向。当强地震动输入方向与结构主轴方向成一定角度时,两个主轴方向的梁只承担该方向的内力,而柱却要承担两个方向的内力,因此节点周边梁柱强度比与主轴方向发生变化,这是造成汶川地震中较多发生“强梁弱柱”破坏的重要原因之一。为保证强地震动输入方向不在结构主轴方向时结构也能够实现“强柱弱梁”设计,就必须保证柱的斜向承载力与两个方向梁承载力在斜向的合力仍然满足“强柱弱梁”的要求。由于梁的抗震性能研究较为成熟,因此正确把握钢筋混凝土柱在斜向受力时的抗震性能以及如何提高柱斜向抗震性能是亟待解决的科学和工程问题。  本文围绕钢筋混凝土(以下简称RC)柱斜向抗震性能以及如何提高柱斜向抗震性能开展理论分析、试验研究和数值模拟分析工作。在理论分析的基础上,进行了普通RC柱以及为提高柱斜向抗震性能提出的角部加强RC柱在斜向水平低周往复荷载作用下的抗震性能试验,共22个截面尺寸300mm×300mm的试件,试验参数分别为加载角度:0°、22.5°、45°,试件剪跨比:4和2,加载方式:斜向水平单向往复加载和斜向水平双向往复加载,试验轴压比:0.2和0.6。在对试验结果进行有限元数值模拟分析验证的基础上,进行了多种角部加强柱以及将角部加强RC柱应用于框架节点、框架整体结构时的弹塑性分析,确认了其对斜向抗震性能的加强效果。  本文取得的主要成果如下:  (1)高轴压比下剪跨比为4的RC柱试件,承载力随加载角度的增加有所降低,但试件的强度退化和刚度退化得到改善;试件的极限位移角、位移延性系数、耗能能力有所提高。  (2)高轴压比下剪跨比为2的RC短柱试件,加载角度对试件抗剪承载力的影响较小,同时试件的强度退化、刚度退化也基本不受加载角度影响,耗能能力随加载角度的增加而增强。  (3)高轴压比RC柱在斜向水平双向往复荷载作用下其破坏机制表现出明显的双向耦合作用,试件在先加载方向的承载力较高,后加载方向的耗能能力较好。双向加载路径下试件的承载力及耗能能力都略高于单向加载试件,强度退化和刚度退化较单向加载试件更为显著。  (4)本文提出的“截面角部集中配筋加强RC柱”提高了试件在斜向的抗震承载力、初始刚度和耗能能力,特别是低轴压比试件的提高程度更为明显。  (5)本文提出的“逆向正截面承载力计算方法”能有效地计算出各加载角度下,普通RC柱试件及加强柱试件的N-M相关曲线及Mx-My相关曲线,计算精度较高,大幅度降低了计算时间,具有较好的实用性。  (6)将本文提出的“截面角部集中配筋加强RC柱”、“截面角部集中配筋外包角钢加强RC柱”和“截面角部集中配筋外包钢丝网加强RC柱”,应用于空间梁柱节点并与未加强节点一起进行有限元分析,结果表明:按照现行规范进行“强柱弱梁”破坏机制设计的未加强梁柱节点试件,在主轴方向荷载作用下发生梁铰破坏,但在斜向荷载作用下发生柱铰破坏;采用加强柱后的空间梁柱节点破坏机制,不论是主轴方向还是斜向均为“梁铰破坏”,加强柱的斜向抗震性能得到提高,改善了空间梁柱节点在斜向荷载作用下的抗震性能。  (7)将本文提出的“截面角部集中配筋加强RC柱”应用于按照现行规范进行“强柱弱梁”破坏机制设计的钢筋混凝土空间框架结构,进行Pushover静力弹塑性和动力弹塑性时程分析的结果表明:未加强框架结构在主轴方向地震作用下发生“梁铰破坏”,但在斜向45°方向地震作用下发生“柱铰破坏”。采用“角部集中配筋加强RC柱”后,框架结构在主轴方向和斜向均实现了“强柱弱梁”破坏机制,框架结构的整体承载能力和变形能力大幅度提高,表明本文提出的加强方法对实现框架结构在斜向地震作用下的“强柱弱梁”破坏机制效果显著。  
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