考虑内力重分布与钢筋屈曲效应对RC柱力学性能的影响

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随着经济高速发展,人们生活水平提高,以及近年来地震灾害的频繁发生给人们带来巨大的经济损失和沉重的精神伤害,人们对结构的抗震性能要求也越来越高。RC框架和框-剪结构是主要的结构形式之一,柱是其重要的竖向承重构件及主要的水平抗侧力构件,其性能直接影响着整个结构的抗震性能。RC结构受载后产生内力重分布,其破坏起初通常由纵筋的屈曲引起,由此引起结构承载力的退化。如果不考虑内力重分布及纵筋的屈曲行为,可能会高估RC结构的承载和延性变形能力,对结构的安全使用带来潜在的危害,重分布及纵筋屈曲研究势在必行。  本研究主要内容包括:⑴针对轴心受压RC柱,分析了其破坏路径和内力重分布过程。基于三个基本方程,推导了轴向内力转移过程;根据纵筋屈服应变和混凝土峰值应变相对大小,将内力重分布过程分为两种情况,得出当纵筋屈服应变小于混凝土峰值应变时,对应的破坏由纵筋屈服引起,最终达到极限状态由混凝土极限应变控制。反之,则由混凝土应变达到极限压应变,混凝土压碎引起,最终破坏受钢筋屈服或向外凸曲失稳来控制。⑵基于能量法分析了 RC柱中纵筋屈曲的基本力学参数,包括屈曲长度,屈曲荷载及临界应力。通过矩形和圆形截面的折减模量对比发现显式表达的矩形截面模量可以用来近似隐式表达的圆形截面模量;利用纵筋-弹簧模型,基于分布式的弹性支撑推导了钢筋屈曲的长度和屈曲临界承载力,得出,临界屈曲荷载的最小值与屈曲长度及级数解的项数无关,依赖于箍筋对纵筋的约束刚度;基于Mander等人的钢筋材料模型推导了钢筋发生屈曲的临界应力曲线,并由此得出钢筋屈曲的临界应力点。⑶基于箍筋变形假设,推导了不同受力下 RC圆形和矩形截面柱中箍筋对纵筋的变约束刚度。根据变形后的形状,通过求解几何方程、物理方程和平衡方程可以求得箍筋的约束刚度,该刚度与箍筋的力学参数和尺寸有关;分析了矩形RC柱截面不同位置的纵筋受约束机制,得出角部钢筋主要由箍筋的轴向变形刚度提供约束,截面中部钢筋则由薄膜变形机制提供;针对不同截面类型分析推导了复合箍筋的约束刚度由轴向变形刚度和薄膜变形机制提供的约束刚度叠加。⑷利用OpenSEES有限元分析程序,对纵筋屈曲影响的 RC柱进行数值模拟并与文献试验验证。基于Zong等人的屈曲钢筋模型,对RC柱Pushover模拟,分析了各个参数的影响,得出箍筋的间距和纵筋直径的比值对RC柱中纵筋屈曲的影响较大,箍筋对纵筋的约束刚度主要体现在箍筋间距上,就作为箍筋的约束作用而言,箍筋的直径对纵筋的屈曲效应并不大,最后通过与文献试验对比,验证了模拟的正确性,通过RC框架地震作用模拟,得出纵筋屈曲现象加速了RC框架的在地震作用下的倒塌。⑸以轴压RC柱承载力模型与内力重分布过程为基础,在氯盐侵蚀环境下,考虑锈蚀对RC柱主、箍筋力学性能、混凝土截面损伤和钢筋压屈行为的影响,基于氯盐锈蚀三个阶段,建立了不同的锈蚀剩余设计承载力模型。通过算例,计算了锈蚀RC柱的剩余承载力随锈蚀率的变化。得出随着柱锈蚀率的增大,RC柱的设计极限承载力降低。锈蚀RC柱承载力的衰减主要发生在锈蚀的第三个阶段,第二阶段相对于第一阶段承载力的衰减较小,第三阶段相对于第二阶段承载力的衰减已接近一半,主要是由于保护层混凝土锈胀开裂,RC柱截面减小,钢筋失去部分保护层混凝土,钢筋处于加速锈蚀阶段,RC柱的轴向刚度衰减较快。
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