增强箍筋约束足尺混凝土柱轴压力学性能和抗震性能的试验研究

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钢筋混凝土柱是配有钢筋的混凝土构件,在地震力作用下,引起其破坏的因素很多,比如粘着开裂破坏;由混凝土断裂、滑移和破碎引起的破坏;轴压比限值引起的混凝土柱的脆性破坏。但就近些年震害调查的结果发现,导致钢筋混凝土柱破坏的更为主要的原因还是箍筋约束效果的不理想,使得柱的变形能力和延性较差。国内外对箍筋约束钢筋混凝土柱的力学性能和抗震性能的试验和理论研究虽已取得大量成果,但遗憾的是,由于试验条件和认识水平的限制,以往的试验多以中、小尺寸构件为研究对象,足尺构件的研究则很少,这与实际工程存在着一定差别。另外,随着高强钢筋的大量使用,对高强钢筋约束混凝土的研究也还不系统。  鉴于上述情况,本文从增加箍筋用量和增加箍筋强度等方面着手,旨在提高钢筋混凝土柱的力学性能和抗震性能而开展了一系列试验研究,并对箍筋约束足尺混凝土柱进行理论分析和数值模拟,主要工作和取得的成果如下:  (1)通过采取加大配箍率和采用高强箍筋的手段,完成了12根箍筋约束的足尺混凝土柱试件的轴心受压试验,观察并记录了试件破坏的过程及破坏形态,研究了增强箍筋约束混凝土柱的轴心受压承载能力及变形能力,并通过对比分析了不同约束方式对混凝土柱轴心受压承载能力及变形能力的影响。试验结果表明:增强箍筋约束,能够显著提高足尺混凝土柱的承载力和变形能力;箍筋应力水平的大小直接关系到试件的承载能力和变形能力;在其它条件相同的情况下,箍筋直径越大,配箍率越大,箍筋约束效果越明显,试件的极限承载力越大,变形能力也越好;相比普通箍筋,高强箍筋对试件承载能力的提高作用不明显,但对试件变形能力的提高作用则十分显著。  (2)基于箍筋约束混凝土柱的轴压试验,对箍筋约束混凝土柱的机理进行分析,研究了各种影响箍筋约束效果的因素;介绍已有钢筋约束混凝土应力-应变本构的经典模型,并利用经典模型对本文轴压试验进行预测,就本文试验数据看,若箍筋为普通强度钢筋时,Legeron模型的预测较为准确,而箍筋为高强箍筋时,Mander模型的预测则较准确;考虑了横向箍筋对轴向承载力的贡献影响,建议出了增强箍筋约束条件下的承载力计算公式,所提公式的计算精度要好于现有规范的计算公式,且具有很好的安全系数。  (3)通过改变箍筋强度、箍筋形式、箍筋间距及加载循环次数等措施,完成了13根足尺混凝土柱试件的拟静力试验,详细介绍了试件的设计、制作以及试验的具体情况,测得了各试件的荷载-变形的滞回曲线,分析了各试件的破坏模式、滞回性能、骨架曲线、延性性能及耗能能力,对比了增强箍筋约束足尺混凝土抗震性能的影响因素。试验结果表明:增强箍筋约束下的足尺混凝土柱在低周反复荷载作用下的破坏形态均为压弯破坏;增强箍筋约束下足尺混凝土柱的水平荷载-变形滞回曲线图形都比较平滑,滞回环为稳定的梭形,没有出现明显的捏缩现象,表现出较好的耗能性能;配箍率相同的情况下,箍筋间距相比箍筋肢距对试件变形能力的影响更为有利,但对水平承载力的影响一般;当配箍率、箍筋间距、箍筋强度、箍筋直径等其它因素均相同时,箍筋形式对试件的抗震性能影响几乎相同;普通箍筋试件的极限水平承载力较高强箍筋试件要大,而后期变形能力,普通箍筋试件相比高强箍筋试件略差;加载历程对试件抗震性能的影响主要体现在后期破坏阶段,而对前期的影响并不是很大;随水平荷载的往复,外箍和内箍的应变均产生拉应变且持续增大,箍筋对混凝土的约束作用也越来越强。  (4)根据理论分析,推导了压弯构件的开裂弯矩、屈服弯矩、峰值弯矩以及极限弯矩的计算方法并对其进行了简化;提出了由屈服弯矩、峰值弯矩和极限弯矩和相应曲率组成的弯矩—曲率曲线骨架曲线,其中屈服弯矩、峰值弯矩和极限弯矩考虑了增强箍筋约束效应和试件尺寸影响;根据加载卸载线的方法,结合所提弯矩—曲率曲线的骨架曲线,确定滞回规则,建立了增强箍筋约束混凝土柱的恢复力模型。  (5)采用有限元方法分析本文试验试件的受力和变形行为,重点考察试件破坏位置、变形特征、混凝土及钢筋的应力分布状况。
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