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考虑应变率效应的不同配筋率钢筋混凝土柱动力性能试验与模拟

唐亮  
【摘要】: 正确把握钢筋混凝土柱在动力作用下(例如强震、强风等)的力学性能和动力行为对结构抗震和抗风设计至关重要。然而我国现行的抗震设计规范并没有充分考虑应变率对材料本构关系、结构构件的承载能力、变形、耗能能力以及破坏模式的影响。虽然少数研究者已经开展了高应变率下钢筋混凝土构件的动力试验研究,但目前为止还没有获得到足够的试验数据充分理解混凝土结构和构件的动力性能。 因此,本文对钢筋混凝土柱在快速加载下的动力性能和数值计算方法进行了深入研究,具体工作如下: (1)进行了三个不同配筋率的钢筋混凝土柱构件快速加载试验,研究了混凝土柱在不同加载速率下的滞回性能、骨架曲线、延性指标、耗能性能以及破坏模态,为钢筋混凝土柱非线性纤维模型分析提供了试验数据。 (2)通过在混凝土本构关系中考虑应变率效应的方法,采用纤维模型实现了钢筋混凝土柱在不同加载速率的单调荷载下的动力行为的数值模拟。模型考虑了二阶效应、塑性铰区域和剪切变形的影响。通过比较已有研究和本文中混凝土柱子试件的试验结果和数值模拟结果,验证了考虑应变率效应的动力纤维单元模型的有效性,结果显示了动力纤维单元模型能够准确地预测混凝土柱的动力性能,特别是在模型中考虑了剪切变形的模拟得到的变形能力与试验更为接近。 (3)采用考虑剪切变形影响的模型,研究了混凝土柱的在不同纵向配筋率和体积配箍率下的动力性能。结果显示随着加载速率的增加,柱极限承载力和构件刚度在各个体积配箍率和纵向配筋率下均有不同程度的提高;而低体积配箍率试件的动力极限承载力相对增长率比高体积配箍率试件的要小,高纵向配筋率试件的动力极限承载力相对增长率比低配筋率试件的要小。模拟发现考虑剪切变形与不考虑剪切变形的得到的极限承载力差别很小。 (4)运用一种基于压电陶瓷的智能骨料健康监测技术,实现了快速加载试验中的钢筋混凝土柱的损伤状况的监测。根据压电陶瓷的测量信号,采用基于小波包分析的损伤指标,评估了混凝土柱在不同加载水平下的损伤发展情况。通过比较试验观测结果,证明了基于压电陶瓷智能骨料的健康监测技术的可行性。


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