含起波钢筋梁与屈服后强化柱的新型RC框架抗震性能研究

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钢筋混凝土(Reinforced concrete,RC)框架作为应用最广泛的结构形式之一,可能发生多种不同类型的倒塌机制。如何同时提高其抗整体侧向倒塌(地震作用下)和抗局部竖向连续倒塌(爆炸、地震、火灾等作用下)的能力受到学者们的关注。针对此,本文提出了一种含起波钢筋梁和屈服后强化柱的新型RC框架结构:“起波钢筋”是一种新型钢筋构造,配置在梁中能同时提高框架抗地震倒塌、连续倒塌能力;屈服后强化柱的配置用于控制结构在地震下的残余变形。故其在整体侧向倒塌工况下侧向变形能力大、残余变形小;在局部竖向连续倒塌工况下抗连续倒塌能力强。本文针对其抗震性能开展了一系列研究,研究工作与成果如下。(1)起波钢筋受力性能研究。首先针对起波钢筋单轴受力性能开展了试验研究和数值模拟,发现其有先被拉直、再被拉断的受力过程,表现出“双台阶”的受力行为。在此基础上提出了单轴受力本构模型。其次针对起波钢筋往复拉伸性能开展了研究,重点研究了起波钢筋的滞回特性和低周疲劳特性。(2)配置起波钢筋的RC梁抗震性能研究。首先对14个1/2缩尺RC梁试件开展了往复加载试验研究,试验结果表明起波钢筋的配置使得RC梁出现了一种新的“双台阶”行为受力特征和一种新的“双铰机制”破坏模式,且增大了RC梁的转角变形能力。其次采用纤维模型开展了数值模拟分析。最终提出了起波钢筋梁塑性铰滞回本构理论模型。(3)新型RC框架结构抗震性能研究。首先对3个1/2缩尺单层单跨RC框架子结构试件开展了往复加载试验研究,证实了配置起波钢筋有利于结构实现“强柱弱梁”破坏机制。并基于此开展了框架结构变形机制分析,指出起波钢筋构造适用于4层及以上框架结构;分析了屈服后强化柱对框架整体抗震性能的显著作用,揭示了应用变形能力较小的高强材料可以形成变形能力较大的框架柱的机理。(4)新型RC框架结构的设计理论和设计方法研究。首先,在初始刚度、延性和承载力三个参数基础上,将屈服后刚度作为结构第四个重要参数考虑进来,开展了新型框架设计反应谱研究。其次提出了新型框架的结构设计方法,并给出了一个多层框架设计实例,时程分析和增量动力分析研究结果表明:与普通RC框架相比,本文提出的新型RC框架结构抗震性能获得较大提升。本文研究成果为新型RC框架的工程设计提供了理论基础,从而为RC框架综合抗倒塌能力的提升提供了一种技术途径。
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