柱失效方程中荷载相关特性对承载力抗震设计可靠度的影响

以竖向荷载和水平地震作用组合下的钢筋混凝土柱和钢柱为对象,研究了失效方程中荷载相关特性对柱承载力抗震可靠性的影响。根据现行《混凝土结构设计规范》和《钢结构设计规范》分析了不同柱弯矩轴力相关曲线的特性。结合多个框架结构实例,对比了柱失效方程中荷载相关曲线与规范考虑情形的异同。实例分析表明:水平地震和竖向荷载组合作用下,小偏压RC柱和工字型钢柱的荷载相关曲线与规范考虑的情形较为符合,均近似为负相关的直线;水平地震和竖向荷载组合作用下,大偏压RC柱的荷载相关曲线则与规范考虑的情形有较大出入,存在明显的正相关段部分。在此基础上,考虑失效方程复杂特性,依据已有的荷载和抗力变量概率模型,采用Monte Carlo法分析了水平地震和竖向荷载组合作用下柱的可靠性。结果表明:钢柱和小偏压RC柱的承载力抗震可靠度随轴压力荷载效应比值的变化幅度较小,与规范模式计算结果较接近;大偏压RC柱的承载力抗震可靠度随轴压力荷载效应比值的变化会有较大幅度波动,与规范模式计算结果差异较大;当轴压力荷载效应比值为负时,大偏压RC柱的承载力抗震可靠度会低于规范计算值较多,现行柱可靠性设计方法会偏于不安全。     

不同设计配筋下大偏压RC柱承载力抗震可靠度

为研究偏心距随机特性对不同设计配筋下RC柱承载力抗震可靠度的影响规律,采用解析方法,推导了以多个无量纲化设计参数表达的大偏压RC柱失效方程和配筋影响系数计算式。考虑规范中的柱配筋率要求,分析了荷载效应比值等设计参数在常用取值范围内时配筋影响系数的变化规律。结合已有的水平地震作用、竖向重力荷载、混凝土强度和钢筋强度等参数的概率模型,并考虑偏心距的随机特性,采用Monte Carlo方法进行了大偏压RC柱可靠度分析。结果表明:不同设计参数组合下大偏压RC柱配筋影响系数的变化离散性较大;当配筋影响系数较小时,增加配筋对大偏压RC柱可靠指标的改善作用不大;当该系数较大时,增加配筋对可靠指标的提升效果较明显。     

RC偏压构件精细抗力概率模型

现行可靠度统一标准给出的RC偏压构件抗力统计参数较为粗糙,对其随偏心距值的变化考虑不够充分。针对此不足,采用Monte Carlo抽样方法并结合已有的各种抗力因素的概率模型,得到了不同偏心距和配筋率下的改进抗力概率模型。结果表明采用正态分布变量来拟合RC偏压构件抗力的分布具有较好的精度。在此基础上,对此改进模型应用于随机偏心距下RC偏压构件可靠度计算的适用性进行了实例分析。结果证实,当偏心距设计值接近或者大于界限偏心距值时,采用现行标准中的抗力概率模型来计算可靠度均会产生较大的误差,而采用文中建议的抗力概率模型则具有较高的精度;且现行可靠度统一标准因对抗力随偏心距值增大而减小的效应考虑不够而使得RC大偏压构件的设计偏于不安全。     

考虑柱偏心距随机特性的RC框架“强柱弱梁”设计可靠度

针对地震作用下钢筋混凝土（RC）框架结构大多出现“强梁弱柱”破坏机制的问题,考虑混凝土极限压应变、抗压强度和钢筋屈服强度等参数的变异性以及柱截面受拉的可能性,基于静力平衡方程求解得到了梁柱抗力的精细分析模型。结合已有的水平地震作用、竖向重力荷载、混凝土和钢筋本构参数等的概率模型,并考虑柱截面偏心距的随机特性,采用Monte Carlo方法分析了不同设计参数下RC框架“强柱弱梁”设计可靠度。结果表明：按GB 50011—2010中柱端弯矩增大系数进行设计时,考虑超配钢筋后,其“强柱弱梁”可靠度均有较大程度下降;当按梁端实配钢筋设计时,考虑随机偏心距、轴压比等参数的影响,其“强柱弱梁”可靠度在2.44~4.14范围内波动;与考虑随机偏心距情形相比,按固定偏心距计算会高估“强柱弱梁”可靠度;对于四级抗震框架结构,当梁端顶部和底部钢筋分别超配30%与20%时,其“强柱弱梁”可靠度约为考虑随机偏心距情形的5倍。     

基于可靠度的小偏压柱承载力分项系数的确定方法

本文以结构可靠度设计理论为依据,提出了一种基于统计数据的混凝土构件承载力分项系数的确定方法。根据国内119组钢筋混凝土小偏压柱极限承载力的试验数据,进行统计分析,建立了小偏压柱承载力的物理模型;以本物理模型为基准,结合可靠度设计理论,建立了小偏压柱承载力的校准模型,按两种荷载与抗力标准差之比及考虑和不考虑构件尺寸变异性4种情况下计算了其承载力分项系数。将本模型与中美规范的设计公式进行比较,结果表明本文提出的校准模型的安全储备更合理,构件承载力分项系数的校准方法可行,且具有较大实用性和推广意义。     

圆形钢管自密实混凝土加固RC方柱偏压性能有限元分析

通过4根短柱(1根RC方柱和3根钢管自密实混凝土加固柱)的偏心受压试验,研究外套钢管自密实混凝土加固法对RC方柱承载力和延性性能的影响,结果表明加固后RC柱的承载力与延性得到大幅提高,且加固柱的承载力随偏心距的增大而减小。为进一步研究钢管壁厚和后浇混凝土强度对加固效果的影响,采用了通用有限元软件ANSYS对加固偏压柱的受力全过程进行了计算分析。经验证,计算所得试件的荷载-变形曲线与试验结果吻合良好。在此基础上对加固柱进行参数分析研究,研究结果表明:偏心距对加固偏压柱的承载力影响最为明显,其次是钢管壁厚,自密实混凝土强度的影响较小。     

钢筋混凝土框架柱和轻钢拱结构失效方程复杂特性与设计可靠度

以全跨永久荷载和半跨雪荷载组合作用下的轻钢拱结构与重力荷载和水平地震组合作用下的钢筋混凝土框架柱两类典型情形为研究对象,采用现行相关设计规范中的承载力计算式推导其失效方程。采用相应结构实例对两类典型情形下的失效方程复杂特性进行分析,表明轻钢拱结构具有较大的雪荷载效应比值和钢筋混凝土大偏压柱失效方程具有较高程度非线性。考虑以上特性,对两类典型情形进行可靠度校准分析,结果表明:雪荷载组合作用下轻钢拱结构的可靠度较低,建议雪荷载分项系数值取为1.75;钢筋混凝土框架柱在不同抗震承载力设计情形下其失效概率会有较大的差异,且无法通过将柱端弯矩增大系数简单增大到某一值而消除,同时在轴压力荷载效应比值为负的情形下现行设计方法会偏于不安全。     

方钢管钢骨混凝土双偏压柱试验研究与有限元分析

进行了9根方钢管钢骨混凝土双向偏压柱试验,研究其破坏形态,分析荷载与纵向应变关系及长细比、加载方向等参数变化对双偏压柱受力性能的影响。结果表明:当荷载达到极限荷载的50%～70%,钢管的受压区开始屈服;当荷载达到极限荷载的80%～90%,钢骨的受压区开始屈服。在试验参数范围内,加载角度的变化对偏压柱的受力性能影响不大。通过有限元法建立计算模型,模型计算结果与试验结果吻合很好。在此基础上,通过变化计算参数,分析了不同长细比、偏心距条件下,加载角度对偏压柱受力性能的影响。结果表明,随着长细比及偏心距的增大,加载角度的变化对双偏压柱受力性能的影响也越来越大。     

碳纤维加固大偏心受压柱承载力可靠性

为了研究碳纤维(CFRP)加固大偏心受压柱承载力可靠度变化规律,应用JC法计算其可靠度指标,考虑初始偏心距、荷载效应比对可靠度指标的影响,同时考虑受弯和受压承载力,应用科学计算软件MATLAB进行数值分析。分析结果表明:柱在加固前,柱受压、受弯和压弯承载力可靠度指标均随着初始偏心距和荷载效应比的增大而减小,减小趋势逐渐减缓;柱在加固后,可靠度指标明显提高,其中柱受压承载力可靠度指标受初始偏心距的影响较小。     

方中空夹层钢管混凝土双向偏压力学性能研究

通过对6根方中空夹层钢管混凝土试件在双向偏压受力状态下力学性能的试验,以研究长细比、偏心距和偏心角对试件力学性能的影响。试验结果表明:试验过程中构件变形基本符合平截面假定;长细比和偏心距越大,承载力越小;偏心角对构件的荷载-变形关系曲线的影响不大。最后,采用纤维模型法编制程序,对双向偏压构件的荷载-变形关系进行计算,计算结果与试验结果符合较好。     

基于人工神经网络的压弯钢筋混凝土柱侧向承载力的预测

双向压弯钢筋混凝土柱侧向承载力的计算比较复杂,它受截面尺寸、轴压比、混凝土强度、加载角度、剪跨比及配筋等诸多因素影响。基于BP神经网络技术,提出双向压弯钢筋混凝土柱侧向承载力的预测模型。以影响柱侧向承载力的主要因素为参数,用数值模拟结果,建立模型,并验证BP神经网络模型对双向压弯钢筋混凝土柱侧向承载力预测的效果良好。     

高轴压比下加芯混凝土框架柱延性与承载力试验研究

通过高轴压比下8个加芯混凝土框架柱和1个普通混凝土框架柱低周往复加载的模型试验,阐述了主要试验现象及破坏形态,对各试件的P-Δ滞回曲线、位移延性系数、极限位移转角、屈服荷载和极限荷载等试验结果进行了研究,分析了加芯混凝土框架柱延性和承载力的影响因素。结果表明:通过对芯柱进行合理设置,加芯混凝土框架柱具有良好的滞回延性和较高的抗震承载力,可明显改善普通混凝土框架柱在高轴压比下的抗震性能,弹塑性变形能力能够满足抗震要求;芯柱的纵筋配筋率、截面面积和体积配箍率是影响加芯混凝土框架柱延性和承载力的主要因素。结合以往的研究成果,本文提出了加芯混凝土框架柱轴压比限值的建议值、正截面承载力计算公式以及相关设计建议。     

T形、L形截面钢筋砼双向压弯构件正截面承载力的研究

对１１根Ｔ形、６根Ｌ形及２根矩形截面钢筋砼双向压弯构件进行了试验研究,在此基础上用电算程序进行理论计算,结果与试验结果吻合较好。同时还根据大量电算分析揭示了Ｔ形、Ｌ形截面双向压弯构件正截面承载力的变化规律。最后,编写了用于配筋计算的电算程序,该程序亦适用于其它任意截面形状压弯构件的正截面承载力计算。     

水平双向加载下钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

针对双向水平地震作用下钢筋混凝土框架柱的抗震性能,开展了9个钢筋混凝土框架柱的水平双向拟静力试验研究,考察轴压比、体积配箍率、纵筋配筋率以及加载路径对柱抗震性能的影响,对双向加载下柱的受力特点、承载力变化、位移延性和极限侧移角等指标进行分析。结果表明：相对于水平单向加载,双向加载对柱的抗震性能存在显著不利影响：柱的抗弯承载力及极限位移均明显减小,损伤程度明显加重;随加载方式由单向-十字-菱形-方圈变化,相同位移下柱的强度退化与抗弯承载力下降幅度均有所增加。考虑双向受力后,典型技术标准给出的RC框架结构极限层间侧移角限值的安全冗余度显著降低。基于试验结果初步提出结构设计及分析建议：考虑双向水平地震动影响时,框架柱的抗震设计宜适当降低轴压比、增加约束箍筋、适当折减柱的抗弯承载力;采用层间侧移角进行结构倒塌判别时,可取双向地震动作用下结构最大层间侧移矢量的大小作为判别位移,并根据分析性质（结构设计或既有结构分析）选取恰当的极限层间侧移角判断标准。     

钢骨混凝土异形柱正截面承载力研究

采用数值积分的方法编写了钢骨混凝土异形柱在单、双向偏心受压时的正截面承载力计算程序。并对收集到的试验数据进行了数值计算,验证了程序的正确性。通过对钢骨混凝土T、L、十字形截面柱在不同的混凝土等级、配钢率、配筋率以及不同的荷载角情况下的计算,得出了影响钢骨混凝土异形柱正截面承载力的因素及变化规律。     

新型截面型钢混凝土柱抗震性能试验研究

提出配置扩大十字型钢和45°布置十字型钢两种截面形式的新型型钢混凝土柱,通过4个新型与1个普通型钢混凝土柱的低周反复荷载试验,研究新型截面型钢混凝土柱在较高轴压比下的破坏特征、滞回和骨架特性,并分析配钢形式和轴压比对柱抗震性能的影响。试验结果表明：新型截面型钢混凝土柱在压、弯、剪共同作用下均发生了弯曲破坏,在加载后期,即使纵筋外鼓屈服以及型钢翼缘局部屈曲,柱的竖向承载力仍较为稳定;新型截面型钢混凝土柱试件滞回曲线饱满,无捏缩现象,等效黏滞阻尼系数均达到0.45以上,并且截面配钢率相差不大的情况下,其变形和耗能能力明显大于普通型钢混凝土柱;新型截面型钢混凝土柱在高轴力下的承载能力和变形性能良好,其轴压比限值可比规范规定有所提高。     

核心型钢混凝土柱轴压性能试验研究

为研究核心型钢混凝土(CSRC)柱轴压性能及轴力分配规律,进行了5根CSRC柱和2根钢筋混凝土(RC)柱的足尺轴压静力试验。试验结果表明：CSRC柱的承载力和变形能力随配钢率的增加而明显增加;设置配钢率为2.5%和3.2%的核心型钢,试件轴向承载力可分别提高12.7%和23.4%,试件变形能力分别提高36.0%和33.1%。试件各组成部分所承担的轴力占总轴力的比例随轴向变形的发展呈非线性变化。在弹性阶段,试件各部分承担轴力基本按材料弹模与相应截面积的乘积线性分配;在塑性阶段,混凝土承担轴力占总轴力比例逐渐降低,核心型钢承担轴力占总轴力比例逐渐增大,最大可达40.1%。CSRC柱轴压承载力可采用考虑箍筋约束作用的简单叠加法进行计算。     

一种分析型钢混凝土T形柱双向压弯受力性能数值模拟方法：试验验证与极限承载力分析

为研究型钢混凝土T形柱双向压弯受力性能,提出一种基于OpenSees零长单元并考虑加载角度影响的高效数值模拟方法,采用该数值算法对已有文献有关弯曲型破坏的型钢混凝土T形柱进行全过程受力分析,以此验证该数值模拟技术的合理性。在此基础上,深入分析轴压比、加载角度、混凝土强度、型钢配钢率与强度、肢高肢厚比等变化参数对型钢混凝土T形柱极限受弯承载力的影响,并推导型钢混凝土T形柱双向受弯承载力计算公式。结果表明：在界限轴压比范围内,提高轴压比、混凝土强度、型钢配钢率、型钢强度和肢高肢厚比均能提高型钢混凝土T形柱极限受弯承载力;但当轴压比大于界限轴压比时,提高轴压比和混凝土强度反而降低其极限受弯承载力;型钢混凝土T形柱的薄弱加载方向为90°（即沿翼缘方向）;加载角度和混凝土强度对型钢混凝土T形柱的界限轴压比影响显著,当加载角度为45°时,其界限轴压比最高;提高混凝土强度会降低其界限轴压比;轴压比在0～0.4、0.4～0.9、0.9～1.4之间,型钢混凝土T形柱双向受弯承载力关系曲线分别为矩形、椭圆形和菱形。     

型钢区域约束混凝土柱抗震性能试验研究

对4个型钢区域约束混凝土(SRCC)柱、1个普通井字箍约束混凝土(NCC)柱及1个钢筋区域约束混凝土(RCC)柱进行拟静力往复荷载对比试验,其中型钢区域约束混凝土柱设计轴压比分别为1.1,1.3及1.6,普通井字箍约束混凝土柱及钢筋区域约束混凝土柱设计轴压比为1.1,而型钢区域约束混凝土柱在1.1轴压比时,分别设置两种不同间距(70,90mm)的箍筋。对各试件滞回曲线、骨架曲线、承载力、延性和耗能性能进行分析。结果表明型钢区域约束混凝土柱受力均匀,能有效抑制贯通斜裂缝的发生,避免脆性的剪切破坏;在相同轴压比下,箍筋间距的增大使型钢区域约束混凝土柱的抗震性能降低;随轴压比的提高,型钢区域约束混凝土柱的抗剪承载力、延性、变形能力和耗能能力均增强,且明显高于普通井字箍约束混凝土柱和钢筋区域约束混凝土柱;型钢区域约束混凝土柱在高轴压比下具有良好的力学性能和抗震性能,宜加以广泛推广使用。