高层建筑关键构件倒塌试验和数值模拟方法研究

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框架柱和剪力墙是高层建筑结构的关键构件,既是竖向承重构件,也是承受地震作用的抗侧力构件,其抗震性能极其重要。目前对于这两种构件的抗震性能进行了大量理论和试验研究,其中大部分研究都是假定以水平承载力降至峰值承载力的85%的变形作为构件极限变形或倒塌位移限值。该假定需要进一步的大变形试验研究和模拟分析,以更准确分析实际结构的倒塌过程。因此,本文开展了钢筋混凝土柱和钢筋混凝土剪力墙的足尺倒塌试验和数值模拟分析,进一步给出倒塌位移角限值建议。主要研究内容和成果如下:(1)本文对1根RC足尺柱进行倒塌试验研究。从试件的试验过程及现象、滞回曲线、骨架曲线等方面进行分析,分析倒塌全过程。试验表明:RC柱位移达到40mm(位移角1/50)时,柱承载力未有明显异常。位移达到90mm(位移角1/22)时,水平承载力仍可保持峰值承载力的85%。说明试验柱在超出规范位移角限值(1/50)时仍具有较好的延性和耗能能力。最终试验变形达到1/15,延性系数甚至达到了7以上,说明RC柱延性非常好,对于大震抗倒塌非常有利。可见规范对于柱的弹塑性层间位移角限值可适当放宽。(2)本文对1片RC足尺剪力墙进行倒塌试验研究。位移达到10mm(位移角1/300)时,构件出现较明显裂缝,位移达到30mm(位移角1/100)时,墙根部混凝土被压酥,位移达到60mm(位移角1/50)时,纵筋露出并屈曲,加载结束时,整个墙底混凝土被压溃,构件不能承担竖向轴力,试验结束。试验表明:当位移角达到1/100时,此时承载力刚刚达到构件的极限承载力,承载力仍有很大的下降空间,可以继续承担水平荷载和竖向荷载,可见规范对于弹塑性层间位移角限值较为严格。(3)基于RC柱倒塌试验结果,选取箍筋约束混凝土本构模型,采用基于纤维单元的Open Sees程序对试验柱构件进行UC、SR和MPP等多个模型进行有限元分析对比。其中的MPP模型模拟效果较好,并以此模型进行不同轴压比的柱倒塌数值试验。数值试验结果进一步验证了当柱的轴压比较小时,弹塑性层间位移角限值可适当放宽。(4)基于RC剪力墙试验结果分别采用Open Sees的纤维模型和MSC.MARC软件采用分层壳单元的建模方法进行数值模拟,发现Marc分层壳单元更为准确和适用。进一步采用该模型,进行了不同轴压比下的剪力墙数值模拟试验。数值试验结果,进一步验证了剪力墙的极限位移角与轴压比关系较大。当轴压比较小时,弹塑性层间位移角限值可适当放宽。结合足尺试验和数值模拟试验的研究,建议考虑轴压比的影响,轴压比较小时,RC足尺柱和RC足尺剪力墙的倒塌位移角限值可适当放宽。对于RC柱,当轴压比小于等于0.65时,倒塌位移角限值可由1/50适当放宽至1/35。对于RC剪力墙,当轴压比小于等于0.4时,倒塌位移角限值可取为1/60;当轴压比大于0.4小于等于0.5时,倒塌位移角限值可取为1/80。按照文中建议取值,可更好地模拟高层建筑强震下破坏过程和倒塌。
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