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材料应变率效应对钢筋混凝土框—剪结构地震反应的影响

张皓  
【摘要】:钢筋混凝土结构是应用最为广泛的一种结构形式,在役期间,不可避免的要遭受到地震等动力荷载的作用。近年来,强烈地震时有发生,地震力作用导致钢筋混凝土结构破坏的现象经常出现。由于钢筋和混凝土均为应变率敏感性材料,在地震等动力荷载作用下材料的力学性能将会发生改变,地震力作用下的钢筋混凝土构件及结构的力学性能、变形性能和破坏模式都会受到材料应变率效应的影响。目前,关于地震力作用下应变率效应对结构材料以及材料应变率效应对钢筋混凝土结构及构件影响的研究相对较少。本文采用试验研究、数值模拟及理论分析的方法对动力模型试验用微粒混凝土和镀锌铁丝在地震作用应变率范围内的动态抗压性能和动态拉伸性能,钢筋混凝土框架-剪力墙结构动力模型试验,材料应变率效应对钢筋混凝土剪力墙动态性能的影响,材料应变率效应对钢筋混凝土结构地震反应的影响几方面进行了研究,完成了以下主要研究内容: (1)对钢筋混凝土结构动力模型试验中经常用来代替混凝土的微粒混凝土进行了地震作用应变率下的动态抗压性能试验。根据试验结果,回归分析得到了微粒混凝土抗压强度和弹性模量动力提高系数(DIF)与应变率之间的关系。基于混凝土结构设计规范(GB50010-2010)给出了微粒混凝土单轴受压率相关本构模型。采用ABAQUS软件中的混凝土损伤塑性模型结合所提出的微粒混凝土单轴受压率相关本构模型对微粒混凝土的动态抗压性能进行了数值模拟,与试验结果的对比分析表明微粒混凝土单轴受压率相关本构模型能够很好的描述微粒混凝土的动态抗压性能。 (2)钢筋混凝土结构动力模型试验中的钢筋通常使用镀锌铁丝来模拟,对三种不同型号的镀锌铁丝进行了动态拉伸试验研究,对比分析了地震作用应变率下三种不同型号镀锌铁丝的力学和变形特性。根据试验结果,通过回归分析的方法给出了镀锌铁丝动、静拉伸强度与应变率之间的关系方程。通过与钢筋模型的对比分析表明,两者的动态拉伸性能较为相似,在振动台试验中用镀锌铁丝来模拟钢筋的动态力学性能是可行的。 (3)根据相似理论设计并制作了一个三层偏心钢筋混凝土框架-剪力墙结构振动台试验模型。利用地震模拟振动台对钢筋混凝土框架-剪力墙模型进行了水平和竖向地震波同时输入下的双向加载振动台试验。通过试验了解了偏心钢筋混凝土框架-剪力墙结构在地震作用下的反应特性与破坏形态。同时,试验结果也为验证后续章节中考虑材料应变率效应的钢筋混凝土结构弹塑性地震反应分析的准确性提供了依据。 (4)钢筋混凝土剪力墙是混凝土结构中的重要构件,关于钢筋混凝土剪力墙动态性能方面的研究工作相对较少。为了解材料应变率效应对钢筋混凝土剪力墙动态性能的影响,作者基于ABAQUS软件建立了钢筋混凝土剪力墙的有限元模型,分别对不同剪跨比和轴压比的钢筋混凝土剪力墙在不同应变率的动力荷载作用下的动态性能进行了数值模拟,数值模拟结果可以为钢筋混凝土剪力墙动态性能的试验研究提供一些可供参考的理论依据。 (5)针对钢筋混凝土结构弹塑性地震反应分析的研究中很少考虑材料应变率效应,本章进行了考虑材料应变率效应的钢筋混凝土结构弹塑性地震反应分析。开发了基于ABAQUS软件可以考虑材料应变率效应的微粒混凝土动态纤维梁单元子程序,建立了振动台试验中偏心钢筋混凝土框架-剪力墙结构的有限元模型,在通用有限元软件ABAQUS中调用子程序对试验模型进行了弹塑性地震反应分析,分析中考虑了材料应变率效应的影响,研究结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了微粒混凝土动态纤维梁单元子程序对模型进行考虑材料应变率效应弹塑性地震反应分析的准确性;并对考虑材料应变率效应与未考虑材料应变率效应的计算结果进行对比分析,分析结果显示,考虑材料应变率效应时的计算结果较为准确。同时,建立了一个高层剪力墙结构的有限元模型,分别进行了考虑材料应变率效应和未考虑材料应变率效应的弹塑性地震反应分析,研究结果表明:考虑材料应变率效应下的分析结果与未考虑材料应变率效应时存在一定的差别,随着地震输入加速度峰值的增大,应变率效应对结构地震反应的影响越发明显,因此应该在抗震设计与分析中适当考虑材料应变率效应。


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