钢—纤维复合筋对框架结构抗连续倒塌性能的影响分析

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传统钢筋混凝土(RC)框架结构由于柱失效引起的连续倒塌行为已经得到了广泛的研究。然而,从材料层次出发,通过提高筋材的力学性能来增强结构倒塌抗力的研究还较少。钢-纤维复合筋(Steel-FRP composite bar,简称SFCB)由外包纤维和内芯钢筋组成,最鲜明的特点是具有稳定可控的二次刚度(屈服后刚度)。因此,本文用SFCB替换RC框架梁中普通钢筋,基于拆除构件法,对SFCB增强混凝土结构的连续倒塌特性展开了研究。本文主要工作如下:论述了传统RC框架结构连续倒塌设计的主要方法和研究现状,并针对RC框架结构在连续倒塌方面的不足,对钢-纤维复合筋的主要应用研究进行了阐述。提出了SFCB框架结构在材料层次和构件层次上的结构倒塌判别准则。依次对RC梁柱子结构试件、SFCB梁柱子结构试件和RC平面多层框架结构展开承载力分析,总结了上述试件在不同机制下的抗力发展和变形特点,以便开展对空间框架结构连续倒塌特性的研究。依据现行规范设计了一栋典型的三层RC框架结构,根据复合原则设计了五种不同二次刚度比的复合筋,基于等屈服荷载原则替换RC框架梁中钢筋,得到了五种梁中配置不同二次刚度比复合筋的SFCB框架结构。借助ABAQUS软件,分别拆除上述框架的长边中柱、角柱、短边中柱和内柱,然后对残余结构展开非线性静力分析,揭示了不同拆柱工况下框架梁荷载系数、梁端轴力和弯矩随失效节点竖向位移的变化规律,定性地评估了SFCB框架结构的鲁棒性。通过非线性动力分析探究了SFCB框架结构在不同拆柱工况下的倒塌破坏情况和梁端出铰顺序,得到SFCB框架结构失效节点的动力时程曲线。通过与静力分析结果对比,揭示了SFCB框架结构动力放大系数随梁中复合筋二次刚度比的变化规律。基于位移延性系数提出了用于评估结构鲁棒性的指标,对SFCB框架和RC框架的鲁棒性进行定量评估。为揭示不同参数对SFCB构件在压拱机制和悬链线机制下倒塌承载力的影响规律,对中柱失效后的SFCB梁柱子结构试件倒塌抗力展开参数化数值分析,结构参数包括:复合筋二次刚度比、梁配筋率、梁跨度、梁跨高比以及柱动力失效时间。提出了SFCB梁柱子结构试件在梁机制、二次刚度作用和压拱复合机制、转换机制和悬链线机制下的承载力理论计算公式,揭示了不同受力机制下的倒塌抗力提供机理。最后,基于上述分析结果,概括全文主要结论,并对SFCB框架结构的连续倒塌设计给出建议。
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