钢筋混凝土长柱抗震性能尺寸效应研究

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近年来,随着建筑的高度和跨度不断增加,结构的形式和受力的情况也变得越来越复杂,但同时,钢筋混凝土结构的力学性能会随着尺寸的增加而发生改变。然而在目前工程设计中,还没有到考虑尺寸效应的影响,计算大尺寸构件力学性能时,仍然是基于小尺寸构件的试验结果,钢筋混凝土结构层面的尺寸效应也对工程设计带来了巨大的挑战。对于剪跨比不小于4的钢筋混凝土长柱而言,是建筑物中重要的承重和耗能结构,为了其设计的安全性和为工程设计中提供参考,有必要研究钢筋混凝土长柱抗震性能尺寸效应行为。本文设计并制作了6根几何构造相似的钢筋混凝土长柱,截面形状分别为方形和圆形,方柱边长和圆柱直径分别为200mm、400mm和600mm,设计剪跨比为4,分别进行了低周反复荷载试验,分析了尺寸效应对抗震性能的影响规律,得到了长柱的恢复力模型,并建立了长柱Open Sees有限元模型。主要得到以下结论:(1)所有钢筋混凝土长柱的破坏模式都属于弯曲破坏,不同尺寸长柱破坏过程相似,都是由于塑性铰区域出现贯通裂缝,纵筋外露并发生屈曲,导致试件丧失承载力。相同尺寸方柱的承载力、变形能力、耗能能力等抗震性能指标都要优于圆柱,随着尺寸的增加,在达到峰值承载力时,长柱柱底处的纵筋应变以及塑性铰长度逐渐减小。并且长柱的正面承载力、延性和耗能系数也都随试件尺寸的增加而呈降低的趋势,存在明显的尺寸效应。同时,相比于圆柱,方柱在屈服后耗能能力及名义强度随着截面尺寸的增加下降趋势更快,尺寸效应也更为明显。Ba(?)ant尺寸效应律能较好的反映长柱在反复荷载下的尺寸效应行为,与试验结果吻合较好。(2)随着尺寸的增加,长柱屈服后名义承载力和塑性铰长度明显降低,存在明显的尺寸效应,基于试验结果,提出的考虑尺寸效应承载力影响系数和塑性铰长度截面尺寸影响系数能够较好反映尺寸效应规律。在此基础上,结合计算得到的骨架曲线的特征点和刚度退化规律,建立了钢筋混凝土长柱恢复力模型,计算曲线与试验曲线吻合较好。(3)建立了长柱OpenSees分析模型,模拟结果与试验结果相吻合。在此基础上,增加了截面尺寸为800mm和1000mm的试件,模拟分析了轴压比为0.1和0.5、混凝土强度为C40和C50以及剪跨比为3和5的抗震性能。结果表明随着轴压比、混凝土强度或者剪跨比的增大,试件的名义强度减小的趋势在慢慢增大,尺寸效应更加明显,而且随着截面尺寸的增加,这种趋势逐渐减弱。模拟分析得到的结果与Ba(?)ant尺寸效应律吻合较好。
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