高强钢筋混凝土柱斜向抗震性能研究

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钢筋混凝土柱是框架结构中最重要的承重构件,其承载能力、延性以及耗能等抗震性能是影响结构抗震安全性的重要因素。我国现行抗震规范中规定框架结构抗震设计要遵循“强柱弱梁”的原则,然而近年发生的多次地震灾害调查发现,许多的钢筋混凝土框架结构的柱端较梁端先出现了塑性铰并屈服而引起建筑结构的破坏,并没有有效地形成抗震规范中所要求的“强柱弱梁”的抗震设计原则,其中一个重要原因是现行规范仅分别考虑两个主轴方向的承载力验算,没有考虑地震动作用方向的多维性和任意性,在实际地震中结构平面内任意方向都有可能成为其最不利作用方向。当地震动沿结构非主轴方向输入时,框架柱需要承担地震作用在两个主轴方向产生的内力,而框架梁只需承担其各自所在主轴上的内力,且楼板的存在对梁的强度有一定的加强作用,导致框架柱的斜向承载力无法满足“强柱弱梁”的要求。因此,要保证钢筋混凝土柱在斜向地震作用下的抗震安全性,有待于进一步研究。本文设计了7根配置高强度钢筋的混凝土长柱,并进行了低周往复加载试验,以加载方向和轴压比作为主要变量分析钢筋混凝土柱的抗震性能,并提出三种柱端约束方式探究其对改善钢筋混凝土柱斜向抗震性能的有效性。基于截面等效的方法以及平衡原理,提出了斜向压弯构件的正截面抗弯承载力简化计算方法,通过与试验结果对比后证明了简化计算方法的正确性。通过OpenSees有限元程序,建立了试验试件的非线性单元模型,并与试验所得结果进行了对比验证了非线性有限元模型的准确性。本文的主要结论如下:(1)各试件均表现弯曲破坏特征,具有较好的变形能力和耗能性能,配置高强钢筋的混凝土柱在高轴压比下仍能满足抗震要求。(2)同一轴压比下,与主轴加载试件相比,斜向加载试件承载力有所降低,延性及耗能能力相对减弱,但刚度的退化速率有所减缓。斜向加载时,随轴压比的增大,试件承载力和刚度均有所提高,但峰值荷载后承载力下降速率加快,刚度退化趋势加快,试件变形能力变差。(3)钢板网以及碳纤维布约束对于提高钢筋混凝土柱在高轴压比下的斜向抗震性能均具有显著的效果。其中钢板网约束能够明显提高试件在斜向加载下的承载力及初始刚度,并一定程度上减缓了试件峰值荷载后承载力的下降速率以及刚度退化趋势,有效改善了试件的变形能力和耗能能力。碳纤维布约束在一定程度上提高了试件的承载力,并且对试件的变形能力的改善效果最显著,使试件的刚度退化趋势明显减缓,耗能能力大幅提高。(4)基于截面等效原则以及平衡原理提出的钢筋混凝土斜向压弯构件的正截面抗弯承载力简化计算方法具有较好的正确性,对于实际工程具有一定的参考作用。(5)以OpenSees为平台建立有限元模型,通过选取恰当的材料本构参数可以得到与试验吻合较好的模拟结果,验证了有限元模型的准确性。
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