Theoretical analysis of post‐peak flexural behaviour of normal‐ and high‐strength concrete beams

A new method of analysing the post‐peak flexural behaviour of reinforced concrete beams has been developed and applied to normal‐ and high‐strength concrete beams. It was revealed that at the post‐peak stage the neutral axis depth keeps on increasing, and at a certain point the strain in the tension reinforcement starts to decrease, even though the curvature is increasing monotonically. Such strain reversal in the tension reinforcement occurs in all concrete beams and has significant effects on the post‐peak behaviour and flexural ductility of concrete beams. Therefore, the stress path dependence of the tension reinforcement needs to be taken into account in the analysis. By means of a parametric study, the variation of ultimate concrete strain with tension steel ratio and the effects of various structural parameters on flexural ductility have been studied. Based on the numerical results, design values of ultimate concrete strain that are independent of tension steel ratio have been recommended and a simple formula for predicting the flexural ductility of reinforced normal‐ and high‐strength concrete beams has been developed. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Experimental study of plate‐reinforced composite deep coupling beams

An experimental study was conducted to investigate the behavior of deep coupling beams of span‐to‐depth ratio (1·17) fabricated according to the newly proposed plate‐reinforced composite (PRC) coupling beam design. Three PRC coupling beams of small span/depth ratio fabricated based on different approaches for load transfers between steel plates and reinforced concrete (RC) were tested under reversed cyclic loading. This paper presents the experimental results and compares the overall performance of these three specimens with two geometrically identical RC coupling beam specimens, one with diagonal reinforcement and the other with conventional reinforcement details, tested by previous researchers. It was found that the performance of PRC deep coupling beams of small span‐to‐depth ratio with properly designed plate anchorage in the wall regions can be comparable to that of diagonally reinforced coupling beams while being able to achieve a higher shear capacity without causing the problem of steel congestion. The proper design approach for the plate anchorage of PRC coupling beams was also identified. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

楼板对钢筋混凝土柱-钢梁空间组合体抗震性能影响研究

楼板在地震作用下对钢筋混凝土柱-钢梁组合体抗震性能的影响是建立地震作用下节点计算模型的基础,也是准确评价组合结构体系抗震性能的关键问题之一。为此,完成了3个钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)空间组合体试件在考虑不同楼板宽度情况下的抗震性能试验,分析整个受力过程中楼板受力性态对组合构件受力特征、破坏模式等抗震性能的影响。各试验模型在加载过程中均产生梁铰破坏,并表现出较好的延性和耗能能力,最终因节点区钢梁屈曲、扁钢箍开裂和柱端混凝土压碎而丧失承载力。分析表明,楼板裂缝以横向裂缝为主,随着楼板宽度增加,次生斜裂缝增多,板底混凝土压碎区域增大;混凝土楼板与钢梁组合体对节点核心区的约束作用较明显地改善了空间组合体受力性能。对楼板混凝土和板内纵筋在受力过程中的应变进行分析,结果表明,随着楼板宽度的增加,楼板对RCS空间组合体刚度、承载力的贡献值有限。对现浇板受拉有效翼缘宽度进行分析,结果表明考虑钢-混凝土组合梁翼缘有效宽度对梁端受弯承载力、惯性矩影响较大。     

螺栓灌胶节点对螺栓钢板加固钢筋混凝土连梁抗震能力影响的试验

为了提高小跨高比既有连梁的抗震性能,提出了一种新型的螺栓钢板加固法和一种新型的钢板屈曲控制装置。按照1∶2比例制作3个钢筋混凝土连梁试件,通过低周往复荷载试验研究了螺栓灌胶节点对钢板加固钢筋混凝土连梁的影响。结果表明:未采用螺栓钢板法加固的连梁呈现出脆性剪切破坏;采用螺栓钢板法进行普通高强螺栓加固的连梁,其强度和延性并没有提高;采用螺栓钢板法进行螺栓灌胶节点加固的连梁,其强度、延性和耗能能力得到大幅度提高。     

双向加载路径下型钢-混凝土组合柱抗震性能试验研究

通过8根型钢-混凝土组合柱在低周往复荷载作用下的加载试验,研究配钢形式、加载路径对该类组合柱破坏过程、滞回性能、刚度退化、延性性能及累积耗能的影响,分析纵筋及型钢的应变发展。结果表明：在相同含钢率下,配置方钢管的型钢混凝土柱的变形能力比十字形截面型钢的型钢混凝土柱的大,破坏位移角增大了约24%;加载路径对组合柱滞回特性影响显著,在非对称路径加载下,滞回特性亦表现出明显的非对称性;与单向循环加载组合柱相比,双向循环加载组合柱的峰值荷载小、刚度退化快、屈服位移小、延性差、破坏位移角小,但其累积滞回耗能明显大于单向循环加载时的情况;纵筋屈服发生在峰值荷载前,而型钢一般在达到峰值荷载时才屈服;在位移加载后期,双向循环加载组合柱纵筋及型钢应变增长明显较单向加载组合柱的快。因此,双向加载路径对型钢-混凝土组合柱承载能力、变形性能及累积耗能等抗震性能的影响显著,在设计时应予以考虑。     

Numerical simulation of the nonlinear bending response of fibre-reinforced cementitious matrix beams and comparison with experimental results

The aim of this work is the efficient numerical simulation of the bending behaviour of fibre reinforced cementitious matrix (FRCM) beams. For the production of the FRCM specimens, a high-strength cementitious matrix with hooked-end steel fibres is used. Two types of FRCM beams are considered. The first type has no conventional steel reinforcement, while the second one includes longitudinal and transverse reinforcement steel bars. For comparison reasons, conventional reinforced concrete (RC) beams are also studied. The beams are tested under static and cyclic loading. The response of the tested beams is simulated by means of effective two-dimensional finite element models, in which the contribution of the FRCM is taken into account by means of two different layers of finite elements. The first one represents the cementitious matrix while the second one accounts for the contribution of the steel fibres in a homogenized manner. The presented models are able to follow the nonlinearities that appear in the corresponding physical models. The validity of the proposed methodology is established by comparing the numerical results with the corresponding experimental results.     

往复荷载作用下型钢再生混凝土界面黏结性能及影响因素分析

为研究往复荷载作用下型钢再生混凝土界面的黏结滑移性能,设计了14个型钢再生混凝土试件并对其进行往复加载试验,分析了型钢再生混凝土的黏结破坏过程,研究了其界面黏结应力分布,在此基础上考察了不同设计参数对型钢再生混凝土界面黏结强度的影响。结果表明：往复荷载作用下型钢再生混凝土界面的黏结破坏过程可分为4个阶段(微滑移阶段、滑移发展阶段、黏结力陡降阶段和残余阶段),对应4个受力特征点(微滑移点、黏结荷载极限点、残余点和破坏点);与单向推出荷载作用相比,往复荷载作用下试件的极限黏结强度最大降低40%左右;加载初期,在正向卸载和正向加载时,黏结应力峰值在固定端附近,且随型钢埋置长度的增大而逐渐减小;在负向加载和负向卸载时,加载端附近黏结应力逐渐变大,试件由两端向中间逐渐破坏;型钢再生混凝土的特征黏结强度随着再生混凝土取代率的增加而降低,随着型钢保护层厚度、体积配箍率和再生混凝土强度的增加而提高。最后建立了型钢再生混凝土的特征黏结强度计算式,并将计算值与试验值进行对比,两者吻合较好。     

内填Y形钢支撑加固多层钢筋混凝土框架结构滞回性能试验研究

为了研究内填Y形钢支撑多层RC框架结构的抗震性能,进行了3榀2层单跨1/2缩尺试件的低周反复荷载试验。分析试件在循环荷载作用下的破坏机理、滞回性能、延性、刚度退化规律以及耗能能力。研究结果表明：应用Y形钢支撑加固RC框架合理可行,Y形钢支撑承担了大部分水平荷载,梁柱连接节点破坏程度较轻;耗能段与混凝土梁的连接构造合理,没有发生破坏;Y形钢支撑破坏,导致结构失效;加载初期,试件荷载 侧向位移比滞回曲线具有一定程度的捏缩,耗能段屈服后,试件滞回曲线相对饱满;试件2层的荷载-层间位移比滞回曲线比1层饱满,2层的侧向变形程度比1层大;楼板的存在增加了框架梁的刚度,减少了梁上的裂缝数量;节点构造对结构抗侧刚度影响较小,对变形能力影响较大;加固震损后的结构,应该考虑结构刚度退化程度。在试验的基础上提出了内填Y形钢支撑的设计方法。     

复合配筋增强工程水泥基复合材料梁受弯性能试验研究

为了研究不同筋材增强工程水泥基复合材料（ECC）受弯构件的力学性能,设计并制作6个几何尺寸相同的试验梁,包括形状记忆合金（SMA）增强ECC（SMA-ECC）梁、GFRP增强ECC（GFRP-ECC）梁、钢绞线增强ECC（SS-ECC）梁、SMA/GFRP增强ECC（SMA/GFRP-ECC）梁、钢筋增强ECC（R-ECC）梁和普通钢筋混凝土（RC）对比梁。通过低周单向循环加载试验,研究相同加载条件下相同配筋率的各试验梁的破坏过程、承载能力、耗能能力、位移延性、残余变形和自复位性能,考察SMA/GFRP-ECC梁的力学性能。结果表明：与普通钢筋混凝土梁相比,复合配筋增强ECC梁在加载过程中呈现出明显的多缝开裂特征,具有更好的延性;与采用其他筋材的复合配筋增强ECC梁相比,SMA/GFRP可以使梁兼具大承载力、高耗能以及自复位能力;SMA/GFRP-ECC梁具有较高承载力、延性以及损伤自修复、位移自复位能力。     

基于细观模型的含腹筋混凝土梁受剪承载力尺寸效应

考虑混凝土细观非均质性及钢筋与混凝土之间相互作用,建立了钢筋混凝土梁破坏行为模拟的三维细观数值分析模型。以悬臂梁为例,在数值模拟结果与已有试验结果吻合良好的基础上,扩展模拟了腹筋率、剪跨比及加载方式对大尺寸钢筋混凝土梁(最大梁深为2 000mm)剪切破坏尺寸效应的影响规律。模拟结果表明:无腹筋梁抗剪名义强度尺寸效应显著,中国《混凝土结构设计》规范提出的截面高度影响系数难以全面的反映梁剪切破坏的尺寸效应现象;腹筋会抑制梁抗剪强度的尺寸效应,随着腹筋率的增加,梁的抗剪强度尺寸效应逐渐减弱;随着剪跨比的增加,梁的抗剪承载力有所减弱,同时,尺寸效应现象也略有减弱;相比于单调加载,循环加载下梁将产生低周疲劳脆性破坏,使得梁抗剪强度尺寸效应更加明显。     

钢-混凝土预制梁连接区段抗震性能试验研究

为实现预制装配式混凝土框架结构的干式连接，提出一种带工字钢接头的装配式钢筋混凝土梁。通过3个不同配筋率(0.96%、1.50%、2.34%)试件的低周反复荷载试验，研究了不同弯矩系数比对其破坏形态、滞回特性、承载力、延性、承载力退化及关键部位应变的影响。结果表明，该预制混合梁在不同弯矩系数比下表现出不同的屈服顺序和破坏模式，随着弯矩系数比的减小，试件的损伤从集中在混凝土梁段到集中在钢梁段逐渐演变，滞回曲线渐趋饱满；在焊缝质量可靠的前提下，钢套筒连接区段未发生破坏，传力可靠。结合试验结果，进一步分析了该预制梁的受弯承载力计算方法和剪力传递过程。工程应用时，以钢接头屈服耗能为目标，保守建议设计弯矩系数比小于0.63，并保证钢套筒剪力传递的构造可靠。     

钢-混凝土预制梁连接区段抗震性能试验研究

为实现预制装配式混凝土框架结构的干式连接，提出一种带工字钢接头的装配式钢筋混凝土梁。通过3个不同配筋率(0.96%、1.50%、2.34%)试件的低周反复荷载试验，研究了不同弯矩系数比对其破坏形态、滞回特性、承载力、延性、承载力退化及关键部位应变的影响。结果表明，该预制混合梁在不同弯矩系数比下表现出不同的屈服顺序和破坏模式，随着弯矩系数比的减小，试件的损伤从集中在混凝土梁段到集中在钢梁段逐渐演变，滞回曲线渐趋饱满；在焊缝质量可靠的前提下，钢套筒连接区段未发生破坏，传力可靠。结合试验结果，进一步分析了该预制梁的受弯承载力计算方法和剪力传递过程。工程应用时，以钢接头屈服耗能为目标，保守建议设计弯矩系数比小于0.63，并保证钢套筒剪力传递的构造可靠。     

500MPa钢筋预应力混凝土梁疲劳受力性能试验研究

进行了3根采用HRB500级钢筋作为非预应力筋、钢绞线作为预应力筋的预应力混凝土梁的疲劳受力性能试验。对预应力混凝土梁在疲劳荷载作用下的500MPa级钢筋应力、钢绞线应力、混凝土应变以及疲劳荷载下裂缝和刚度变化的特点进行了较详细分析,并对250万次疲劳作用后的试验梁剩余静载承载力和受力特点进行了分析。试验研究结果表明,采用500MPa级钢筋作为非预应力筋的预应力混凝土梁在疲劳荷载作用下的受力性能良好,500MPa级钢筋的抗拉强度能够充分发挥,试验梁的剩余静载承载力较高,钢绞线和非预应力钢筋都能达到屈服强度,表现出较好的延性。为我国混凝土结构设计规范进一步修订时在预应力结构中采用500MPa级钢筋作为非预应力筋提供了参考依据。     

基于三维细观分析方法的CFRP加固无腹筋混凝土梁剪切强度尺寸效应研究

以CFRP侧贴加固无腹筋钢筋混凝土悬臂梁为研究对象,从细观角度出发,考虑混凝土细观非均质性及CFRP-混凝土之间的相互作用,建立了单调加载下CFRP侧贴无腹筋钢筋混凝土悬臂梁三维细观尺度数值分析模型。通过仅改变CFRP条带的厚度来改变CFRP的配纤率,进而以CFRP的配纤率为主导参数,并且在之前试验工作的基础上,扩展模拟了尺寸和配纤率对梁的剪切破坏机理和失效模式的影响,研究了外贴CFRP加固钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏尺寸效应行为。结果表明: CFRP侧贴加固无腹筋钢筋混凝土梁的名义剪切强度尺寸效应明显,CFRP布加固对小尺寸梁贡献最大,其有效性随着梁尺寸的增加而减小; 配纤率的增大提高了悬臂梁的名义抗剪强度,但同时也削弱了抗剪强度的尺寸效应; 当配纤率较大时,峰值剪切应力的增长趋势明显减缓,即层数过多时,加固效果不明显。     

混杂纤维自密实混凝土梁受弯性能的试验研究

在纤维自密实混凝土工作性试验的基础上,对7组无筋混杂纤维自密实混凝土梁和5组混杂纤维增强低配筋率的钢筋自密实混凝土梁受弯性能进行试验研究,并分析纤维类型和纤维长径比对梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载以及弯曲韧性的影响。结果表明:梁的弯曲韧性随着纤维长径比的增加而增加,混杂纤维混凝土梁的弯曲韧性优于钢纤维,两种纤维协同作用时具有很好的正混杂效应;与最小配筋率的钢筋混凝土梁相比,纤维的掺入明显地改善了梁的屈服荷载和极限荷载,掺有(40+4)kg/m3混杂纤维并按最小配筋率配筋的梁的极限荷载与仅按1.5倍最小配筋率配筋的梁相当。     

型钢混凝土异形柱轴压力系数限值的试验与理论分析

根据17个型钢混凝土(SRC)异形柱试件在低周反复水平力作用下的试验结果,采用大小偏压界限破坏理论和叠加法理论计算了SRC异形柱的轴压力系数限值,并与试验结果进行比较,结果表明:采用大小偏压界限破坏理论的计算结果与实际不符,计算SRC异形柱的轴压力系数限值存在缺陷;而采用叠加法理论的计算结果与试验结果吻合较好,并给出了SRC异形柱的轴压力系数限值。通过对比SRC异形柱的轴压力系数限值和RC异形柱的轴压比限值表明:与RC异形柱相比,SRC异形柱所能承受的轴压力限值明显提高,可有效改善普通RC异形柱因轴压比限值过低而影响其适用范围。     

细晶粒高强钢筋混凝土梁受弯性能试验与参数分析

为研究配置了细晶粒高强钢筋混凝土梁的受弯性能,制作了HRBF400、HRBF500级钢筋混凝土矩形截面梁各4根进行静力抗弯试验。研究表明HRBF筋混凝土梁在短期荷载作用下的最大裂缝宽度实测值满足规范要求,但计算值不满足。HRBF400级钢筋混凝土梁在正常使用条件下的挠度能满足规范要求,HRBF500级钢筋混凝土梁不能够满足规范要求。推导了HRBF筋混凝土梁在裂缝/挠度控制条件下的承载力计算公式,提出了构件承载力利用系数的概念,分析了钢筋强度、钢筋直径、混凝土强度、配筋率、混凝土保护层厚度、高跨比对构件承载力利用系数的影响。在经济配筋率范围内,HRBF筋混凝土梁的延性基本满足要求。HRBF筋混凝土梁的耗能能力在较低配筋率时与普通钢筋混凝土梁相近,但随着配筋率的提高,其耗能能力较普通钢筋混凝土梁降低的快。同配筋率下,HRBF筋混凝土梁在弹性阶段的耗能能力较普通钢筋混凝土梁要高,且随着配筋率的增大而提高。     

Flexural ductility design of high‐strength concrete beams

In the seismic design of a reinforced concrete (RC) structure, it is necessary to provide not only sufficient strength, but also adequate flexural ductility. This is particularly important to the design of RC beams cast of high‐strength concrete that is inherently more brittle. Eurocode EN1998‐1 directly specifies such minimum flexural ductility. To provide adequate flexural ductility to RC beams, Chinese code GB50011 limits the normalised depth of simplified rectangular stress block at peak resisting moment, whereas American code ACI 318–08 requires that the tension steel strain at peak resisting moment shall not be smaller than 0.004. The essential parameters identified for effective flexural ductility design of RC beams include the maximum difference of tension and compression reinforcement ratios and maximum normalised neutral axis depth at peak resisting moment, as they help to guarantee various flexural ductility requirements. Their relationship with the flexural ductility is studied using a rigorous full‐range moment–curvature analysis procedure. Empirical formulae and tables are also developed to facilitate flexural ductility design of RC beams. A comparison shows that the allowable differences of tension and compression ratios may be smaller than those specified in Eurocode 8 particularly for those cast of high‐strength concrete. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

钢筋混凝土梁变幅滞回耗能能力衰变规律试验研究

在基于能量的结构性能设计方法中,需要根据耗能需求对构件进行能力设计,而了解位移历程和配筋状况对构件滞回耗能能力的影响规律是实现这一步骤的基础。通过对22根钢筋混凝土梁试件分别采用稳态变幅加载和任意变幅加载,分析位移历程、配箍率和配筋率的变化对钢筋混凝土梁滞回衰变规律的影响。研究表明,常幅滞回条件下,增加配箍率能够延缓钢筋混凝土梁滞回耗能能力的衰变过程,其延缓效果随滞回幅值的增大而降低;配筋率的变化对构件耗能能力的衰变过程未见规律性的影响;相对于配箍率与配筋率,滞回位移幅值的影响更为明显且更具规律性,滞回位移幅值越小,构件衰变至稳定的过程会更快,而衰变稳定后的残余耗能能力将更高。变幅滞回条件下,钢筋混凝土梁在某个半滞回的耗能能力决定于历史最大位移和已累积耗散的滞回能量,即钢筋混凝土梁的滞回耗能能力受最大历史位移和累积耗能的双控。基于这一双控规律,通过量化箍筋与滞回位移幅值对构件滞回耗能能力衰变的影响,提出了钢筋混凝土梁变幅滞回耗能能力的估计方法。     

钢筋钢丝网砂浆加固RC梁的抗剪试验

进行了钢筋混凝土(RC)原梁、钢筋钢丝网砂浆(SWM)加固RC梁和钢筋网砂浆(SM)加固RC梁的抗剪试验研究.结果表明:相对于SM加固法,SWM加固法能大幅度提高加固梁的抗剪承载力;即使在钢丝网用量很少的情况下(施工方便),加固梁仍具有良好的裂缝控制能力和相对较大的变形能力.同时,给出了加固梁的抗剪承载力和斜裂缝宽度的计算公式,其计算结果与试验结果基本吻合.