冻融低剪跨比RC框架梁抗震性能试验及数值模拟方法研究

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冻融循环作为影响混凝土耐久性的重要原因之一,其所引发的混凝土力学性能劣化是导致钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)结构抗震性能退化的主要因素之一。由于早期的设计规范尚不完善,忽略了冻融损伤对RC结构的影响,导致既有结构在反复冻融循环作用下容易发生冻胀破坏,进而引发其力学性能与抗震性能不断劣化,尤其一些低剪跨比RC结构在冻融侵害和地震荷载双向作用下极易发生脆性的剪切破坏或弯剪破坏。鉴于我国有相当大的地区处于严寒地带,对于该地区的结构来说,冻融损伤时常发生;与此同时,我国也是一个地震频发的国家,大量处于冻融环境下的RC结构亦处于高抗震设防烈度区。基于此,本文以低剪跨比RC框架梁构件为研究对象,对其展开了抗震性能试验与数值模拟研究。主要研究内容及结论如下:(1)以冻融循环次数和混凝土强度为变量,采用人工气候实验室技术对6榀低剪跨比RC框架梁试件进行了加速冻融循环,随后对全部试件进行拟静力试验。结果表明,随着冻融循环次数的增加,混凝土的抗压强度、动弹性模量发生退化,同时梁试件的承载能力、变形性能、延性以及耗能能力等抗震性能指标也均发生退化;随着混凝土强度等级的提高,冻融后混凝土抗压强度及动弹性模量损失减小,同时混凝土强度的提高在一定程度上也削弱了冻融循环对试件抗震性能的影响。(2)基于拟静力试验数据回归分析,采用考虑下降段的三折线骨架曲线,建立了冻融RC框架梁骨架曲线特征点的计算公式;基于能量耗散原理,通过引入循环退化指数,考虑基本强度退化、峰值后强度退化及加卸载刚度退化等滞回规则,初步建立了适用于冻融低剪跨比RC框架梁构件的恢复力模型;采用该恢复力模型对各榀冻融RC框架梁试件进行数值模拟,经验证模拟滞回曲线与试验滞回曲线总体吻合较好。(3)在纤维模型的基础上,首先建立了混凝土冻融损伤本构模型,用以替代纤维模型中的混凝土本构,同时采用Limit State Material和Shear Limit Curve材料并通过与零长度剪切弹簧配合使用,建立了考虑剪切效应的冻融RC框架梁的弯剪数值模型;为了更加精确地模拟冻融RC框架梁的地震响应,基于已建立的弯剪数值模型,通过串联零长度截面单元(zero Length Section Element)并结合Pinching4材料,建立了同时考虑剪切效应及粘结滑移效应的数值模型,对冻融RC框架梁在地震作用下的滞回性能进行了更加精确地模拟分析,以期为持续推动基于Open SEES分析平台的冻融RC结构数值模拟技术的发展奠定基础。
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