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材料的率相关性对钢筋混凝土结构动力性能的影响

李敏  
【摘要】:钢筋混凝土结构在其服役期间可能遭受地震作用,其动力荷载作用在结构上会在钢筋混凝土材料中引起较高的应变率,钢筋和混凝土都是应变率敏感性材料,但是在当前的钢筋混凝土结构抗震设计规范中还没有涉及材料率敏感性的条款。目前大多数研究集中在冲击荷载和爆炸荷载的范围内,对于地震作用下结构材料的率敏感性以及材料的率敏感性对钢筋混凝土构件和结构影响的研究很少,相应的试验和理论研究工作还不够充分。本文采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,研究地震作用下钢筋和混凝土材料的应变率敏感性,以及材料的应变率敏感性对钢筋混凝土构件和结构的影响。本文研究的主要内容如下: (1)试验研究了建筑抗震设计规范中规定使用的建筑钢筋(HPB235、HRB335、HRB400)的应变率效应。应变率选用地震作用下结构材料可能遇到的范围,加载方式为单轴拉伸加载、常幅值循环加载和变幅值循环加载,加载过程由应变控制并保持应变率恒定。试验结果表明,钢筋的力学和变形性能在不同加载方式下均有一定的应变率敏感性,应变率敏感性的大小与准静态屈服强度有很大关系,相同应变率下循环加载的骨架曲线与单调加载的拉伸曲线基本重合。回归分析得到了钢筋的力学性能特征值和变形性能特征值随应变率变化的规律,进而基于Hoehler模型提出了一种钢筋动态循环本构模型,与试验结果对比表明该模型能很好地描述钢筋的动态行为。 (2)试验研究了两种强度的混凝土(C30和C50)在地震作用应变率范围内的力学行为。根据试验结果,回归分析得到了混凝土动力提高系数(DIF)的表达式,并与其他文献中的结果进行了对比。基于ABAQUS有限元软件,分别采用混凝土损伤塑性模型和Drucker-Prager模型,考虑混凝土材料的率敏感性,对混凝土试块的动态抗压性能进行了数值模拟,并且讨论了这两种模型模拟混凝土动力特性时存在的问题。 (3)试验研究了加载速率对钢筋混凝土梁力学和变形性能的影响。主要考虑的因素有:混凝土强度(C30和C50),钢筋强度(HRB335和HRB400),剪跨比(λ=5.5和λ=3.0),加载速率(0.05mm/s和30mm/s)和加载模式(单调加载和循环加载)。结果表明,随着加载速率的提高,钢筋混凝土梁的承载能力提高,提高的大小与梁材料的强度和剪跨比有关;具有相同强度和相同剪跨比的梁的延性降低;梁的刚度下降变快;等效粘滞阻尼比增大。加载速率不改变梁的破坏模式,但是改变了裂缝的分布。基于ABAQUS有限元软件建立了钢筋混凝土梁的计算模型,对梁试件在不同工况下的动态响应进行了有限元数值模拟,与试验结果对比表明模拟结果良好。 (4)为了准确模拟钢筋混凝土构件在地震作用下的反应,基于Timoshenko梁理论和纤维模型理论,考虑材料的应变率效应,建立了钢筋混凝土构件的动态纤维单元模型,并且添加到FEAPpv有限元计算程序中,对钢筋混凝土构件在不同加载条件下的反应进行了非线性有限元分析,研究了加载速率对钢筋混凝土构件性能的影响。结果表明,本文提出的钢筋混凝土构件的动态纤维单元模型可以很好模拟梁的动态性能和滞回性能。 (5)为了研究材料的应变率效应对钢筋混凝土框架结构地震响应的影响,首先建立了考虑钢筋和混凝土材料应变率效应的四层钢筋混凝土框架结构的三维有限元模型,为了对比,不包含材料率相关效应的结构模型也被建立。然后选定三条地震波,采用动力弹塑性时程分析的方法,对结构进行了在7度、8度、9度大震下的三维地震反应分析。结果表明,考虑材料的应变率效应以后,结构的基底剪力和基底弯矩增大,结构顶部节点的峰值位移减小或者不变。不同的混凝土动力提高系数对结构的地震响应有不同的效果。由此可见,材料的应变率效应在大震设计中不宜忽略,在框架结构设计中,提高基底剪力和基底弯矩的设计值有利于结构抗震。


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