变轴力下钢筋混凝土柱的抗震性能分析

准确预测地震作用下钢筋混凝土(RC)柱的受力特性,对评估混凝土结构的抗震性能具有重要意义。地震作用下,混凝土结构中的RC柱除承受水平荷载外,还由于地震作用引起的倾覆力矩影响承受变轴力作用。因此,往复荷载下RC柱受力及变形特性的研究应该考虑变轴力的影响。首先通过恒轴力和变轴力下RC柱滞回性能的模拟,验证了本研究基于纤维模型程序开发的数值分析模型的准确性。然后,利用该数值模型和分析程序,对一RC柱进行了不同变轴力模式下滞回性能的分析研究。分析结果表明,轴力的变化对RC柱的滞回性能有很大影响。由于非耦合型变轴力变化过程的随机性,为便于变轴力下RC柱的抗震性能分析和试验研究,提出了等代定轴力的概念及其确定方法。     

Assessment of RC columns subjected to horizontal and vertical ground motions recorded during the 2009 L’Aquila (Italy) earthquake

In the aftermath of recent earthquakes there has been substantial field evidence demonstrating that the collapse of several existing structures was caused by the effects of the vertical component of seismic ground motions. Such field evidence has not yet been supported by comprehensive analytical assessment and experimental tests. The present work focuses on preliminary analyses of the seismic response of reinforced concrete (RC) members subjected to horizontal (HGMs) and vertical (VGMs) ground motions recorded during the 2009 L’Aquila (Italy) earthquake. Normalised axial loads in beam-columns as well as the peak ground acceleration ratios between horizontal and vertical ground accelerations are emphasised as they are considered parameters of paramount importance for the assessment of structural components and systems subjected to combined horizontal and vertical ground motions (HVGMs).Results of extensive parametric nonlinear dynamic analyses carried out on simplified structural models are discussed in detail. The sample models comprise cantilever RC columns and a two-storey, two-bay plane frame designed for gravity loads. The structural response quantities for the performed analyses are expressed in terms of axial loads, axial deformations, bending moment-axial load interaction and shear demand/capacity ratios. It is found that the variation of axial loads is significant in columns under HVGMs, especially in compression. For values of normalised axial loads (ν) corresponding to actual RC columns in framed building structures, e.g., normalised axial load ν>0.10, the average increase of the compression load ranges between 174% (ν=0.20) and 59% (ν=0.50). For high values of normalised axial loads the computed axial load-bending moment pairs lie beyond the threshold interaction curves and, in turn, the RC members may fail. The shear demand-to-supply ratio is also detrimentally affected by the high fluctuations of axial loads in the columns. Net tensile forces were computed for columns with low-to-moderate axial gravity preload. In multi-storey framed buildings, the response of central columns is significantly affected by the HVGMs. Reliable seismic performance assessment of framed systems requires that combined HGMs and VGMs should be accounted for in the analyses. Further experimental and numerical research is needed to formulate efficient mechanical models to evaluate the shear capacity of structural members of existing RC framed buildings under earthquake loading.     

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。     

Using XFEM to model the effect of different axial compression on the hysteretic behaviour of the flexure‐dominant RC columns

The axial compression ratio has a significant effect on the strength and ductility of reinforced concrete (RC) columns subjected to seismic loads. However, limited numerical models have been found to be able to consider the effect of axial compression ratio in mesoscopic scale. To achieve a sound understanding of the hysteretic mechanism of RC columns with different axial compression ratios, a novel modelling method was developed by employing the following techniques: (a) the extended finite element method for modelling crack initiating and propagating in concrete; (b) the contact algorithm for modelling the crack closure; and (c) the Cartesian type “connector” for modelling the interaction between concrete and steel bars. The effectiveness of the proposed model was validated in macroscopic scale by the results of a previous experimental study. Further analysis indicates that the axial compression ratio controls the axial deformations of RC columns, thus leads to different performances of concrete and steel under seismic loads. Based on the individual flexural contributions of the concrete and the steel bars, the effect of the axial compression ratio and the pinching effect is explained in a finer scale. The analytical results shed some light on the seismic mechanism of RC columns with different axial compression ratios.     

抗震钢筋混凝土框架底层柱底截面弯矩增强系数合理取值的讨论

以我国 8度区 (设计基本地震加速度 0 2 g)二级抗震钢筋混凝土框架结构为例 ,选取底层柱底截面的三档弯矩增强系数与上部各层柱端抗弯能力的两档增强措施相组合 ,设计出 6榀典型平面框架 ;再以采用单分量模型和改进武田滞回模型的杆系结构弹塑性动力反应分析程序PL AFJD对这些框架依次进行了相当于罕遇地震水准的 4条地面运动输入下的地震反应分析。分析结果初步表明 ,要使结构全面满足抗震设计要求 ,底层柱下端截面弯矩增强系数的取值应与上部各层柱的增强措施相匹配 ;修订后规范 8度区二级抗震等级框架上部各层柱的增强措施与修订前相比虽已有提高 ,但提高幅度尚嫌不足 ;底层柱底增强系数也宜在修订后规范取值 1 2 5的基础上适度提高     

高层屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构抗震性能研究

为研究高层屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构的抗震性能,分别设计了一个10层钢筋混凝土框架结构和屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构模型,进行了地震作用下动力非线性分析。结果表明：屈曲约束钢板墙可显著减小高层钢筋混凝土框架结构在地震作用下的层间位移,同时在罕遇地震作用下框架中塑性铰的数量也有大幅减少,表现出良好的抗震性能。在此基础上,综合规范对框架结构和框架-抗震墙结构抗震等级和柱轴压比限值的规定,并结合屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构的受力特点,提出了高层屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构的抗震设计建议。建议屈曲约束钢板墙的边缘构件按框架结构确定抗震等级和柱的轴压比限值,其他框架部分根据其承担的地震倾覆力矩比例大小,按框架结构或框架-抗震墙结构确定抗震等级和柱的轴压比限值。     

考虑应变率效应的钢筋混凝土动态纤维梁单元模型

为准确描述钢筋混凝土结构的非线性地震灾变过程，建立了一种基于显式算法可考虑地震作用应变率效应的钢筋混凝土动态纤维梁单元模型，并以材料子程序(VUMAT)的形式嵌入ABAQUS有限元分析平台中。对混凝土、钢筋以及钢筋混凝土柱动态加载试验进行了数值模拟，测试并验证该模型用于钢筋混凝土材料及构件动态性能分析的准确性和有效性。研究结果表明，所提出的钢筋混凝土动态纤维梁单元模型计算精度较高，能够准确并实时反映地震作用下应变率对材料及构件动态性能的影响，可为精确计算钢筋混凝土结构在地震作用下的非线性动力反应提供理论基础。     

钢筋混凝土柱弯矩-转角骨架线特征点及性能点转角研究

基于不同抗震等级钢筋混凝土（RC）柱拟静力试验研究,建议了RC柱四折线弯矩 转角(M-θ)骨架线。采用规范公式计算得到的RC柱的正截面承载力作为M-θ骨架线的峰值弯矩M_p,0.8M_p作为M-θ骨架线名义屈服点弯矩,下降至0.8M_p及0.75M_p（不考虑P-Δ效应）分别作为M-θ骨架线极限点的弯矩及失效点的弯矩,根据继续使用性能点IO及生命安全性能LS的转角表达式,分别确定其弯矩为0.9M_p及下降至0.925M_p。基于由OpenSEES数值计算得到的按规范最小配箍特征值配置箍筋的22根RC柱的水平荷载 位移（F-Δ）滞回曲线得到的M-θ骨架线,确定了RC柱四折线M-θ骨架线特征点及性能点的转角,确定的转角与试验值符合较好;对于生命安全性能点LS、避免倒塌性能点CP及失效点的转角,当轴压比为0.5时,其与美国标准的规定基本一致,当轴压比为0.9时,其大于美国标准的规定。提出了RC柱的损坏程度与其M-θ骨架线特征点及性能点转角的关系,可用于判别地震作用下RC框架柱的损坏程度以及是否达到其预定的抗震性能目标。     

Effect of relative intensity of wind load on the RC column reliability in tall buildings

Wind loads are very important in the design of tall buildings as often the load combinations containing the wind load govern the design. As for reliability, however, because of the higher inherent uncertainty in the wind load in comparison to the gravity load, safety indices decrease as the ratio of wind load to gravity load increases. The safety indices in RC columns depend on the nominal wind to gravity load ratios. Due to the interaction between bending moment and axial force, a single ratio cannot be defined, because the eccentricity is not similar for wind and gravity loads. In this paper, the ratio of wind to gravity loads is considered separately for axial force and bending moments. Unlike conventional approach, here it is assumed that the wind and gravity loads' eccentricities are not equal, and the final load eccentricity used in either the design or the reliability analysis is a function of applied loads. The results demonstrate that the sensitivity of RC columns' safety indices to bending moment ratios is higher than that of axial force ratios. Furthermore, the variation of RC columns' safety indices with a low rebar percentage is very different from RC columns with high rebar percentages. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

配置HRB500级钢筋混凝土柱抗震性能模拟分析

通过对已完成的配置HRB500级钢筋混凝柱在低周反复水平荷载作用下的受力性能模拟分析,验证了经过二次开发的FEAP非线性有限元软件能够对此类柱的抗震性能影响因素进行系统分析。利用FEAP程序完成了不同轴压比和不同配箍特征值的162根配置HRB500级钢筋混凝土柱的抗震性能模拟分析。分析结果表明：柱的位移延性系数随轴压比...     

考虑防屈曲支撑影响的钢筋混凝土框架柱设计方法

针对防屈曲支撑 混凝土框架(RC-BRBF)体系中防屈曲支撑（BRB）对相连柱产生附加变轴力影响,提出了RC框架柱设计方法。该方法首先通过等价轴压比指标获得RC柱设计轴压比限值,保证了一级、二级以及三、四级框架柱极限侧移水平分别达到2.7%、2.4%以及2.1%;然后通过体系延性水平获得柱位移延性指标,保证其延性性能。研究表明,RC柱设计轴压比限值与等价设计轴压比水平、构件受等效重力与地震作用的轴力标准值之比有关;改进后的设计方法能够有效考虑BRB对相连柱附加变轴力影响,并保证了变轴压比下柱的极限侧移水平。算例分析结果表明,该方法通过优化柱截面提高了体系经济性,同时保证体系满足“三水准”设防目标,RC柱设计轴压比限值的设定是合理的。     

细长钢筋混凝土柱在地震荷载作用下的P-Δ效应

基于分层截面方法,对细长钢筋混凝土柱的P-Δ效应进行了研究。为了对钢筋混凝土柱的周期性行为进行有效分析(这种周期性行为可以根据外加轴向力的大小表现出荷载-位移关系曲线的改变),采用了分层截面方法,并且还采用程序在钢筋的应力-应变关系曲线中考虑了粘结滑移作用[Kwak HG,Kim JK.Implementation of bond-slipeffect in analyses of RC frames under cyclic loadsusing layered section method.Engineering Struc-tures2006,28(12):1715-27]。为了检验这种方法的有效性,以及确定在钢筋混凝土细长柱的综合反应中各种作用的重要性,采用了非线性动力分析方法对60组水平和竖向地震作用下位于常用范围内的长细和稳定度参数的构件进行分析。基于得到的大量分析结果,评估了轴向力、P-Δ效应和竖向地震力对结构反应的影响以及它们的相应贡献。此外,通过与精确的非线性动力分析中得到的结果相比较,评估了在钢筋混凝土结构的抗震设计中采用能力需求曲线的适用性。     

钢管约束钢筋混凝土柱与型钢混凝土柱滞回性能试验研究

进行了3组共6个框架柱的滞回性能试验研究,3组试件分别为钢筋混凝土柱(RC柱)、型钢混凝土柱(SRC柱)与钢管约束钢筋混凝土柱(STRC柱);每组2个试件,包括1个剪跨比λ=3.0的中长柱和1个剪跨比λ=1.5的超短柱。3组试件的截面尺寸、柱子长度和轴力相同,且SRC柱与STRC柱的用钢量相同。试验结果表明,RC与SRC超短柱的变形能力不满足现行抗震规范要求。SRC柱的受弯承载力高于STRC柱,但其变形能力、延性和耗能能力低于STRC柱。STRC短柱中,外包钢管不能有效提高短柱的受剪承载力,但外包钢管对核心混凝土的约束作用有效提高了短柱的延性和变形能力。根据试验结果,建议了STRC超短柱的受剪承载力计算方法,可为工程实践提供参考。     

规则钢筋混凝土框架中考虑双向随机偏心距的柱承载力抗震可靠度分析

地震作用下RC框架柱大多处于双偏压受力状态。为考虑双向偏心距随机特性的影响,采用Monte Carlo方法分析了RC框架柱的承载力抗震可靠度。基于已有的试验数据,分析了GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中双偏压构件抗力计算模式的不确定性及其对极限状态方程的影响。以按规范设计的典型RC框架角柱、边柱和中柱为例,结合已有荷载和抗力变量的统计概率参数,通过对荷载效应以及抗力进行抽样,分别按单偏压和双偏压情形计算了RC柱的承载力抗震可靠度。结果表明：对于规则框架结构,双偏压情形下使柱具有较低可靠度的地震作用方向(沿结构主轴)与单偏压情形并不相同;考虑双向随机偏心距后,RC柱的承载力抗震可靠度会较单向随机偏心距下的可靠度有较大程度的降低。     

碳纤维布加固钢筋混凝土短柱的抗震性能试验研究

本文对碳纤维布加固的钢筋混凝土短柱的抗震性能进行了试验研究。探讨了轴压比、碳纤维布用量、配箍率和加载顺序等对碳纤维布加固的钢筋混凝土短柱的破坏机理、受力性能及抗震性能的影响。试验结果表明,碳纤维布加固的钢筋混凝土短柱具有很好的延性,能有效提高钢筋混凝土短柱的抗震性能;先施加轴力后进行碳纤维布加固的加载顺序,会降低碳纤维布对柱的约束作用,一定程度上影响对柱的抗剪能力的提高。在此基础上,提出了碳纤维布加固钢筋混凝土短柱的受剪承载力计算公式,可供工程设计和进一步研究参考。     

Experimental study on seismic behavior of steel tube confined reinforced concrete columns subjected to combined compression-bending-torsion

为了研究钢管约束钢筋混凝土柱在轴压-弯曲-扭转耦合荷载下的抗震性能，开展了2个钢管约束钢筋混凝土柱在压-弯-扭耦合荷载下的拟静力试验，得到了弯-扭和压-弯-扭两种荷载工况下的荷载-变形曲线。试验结果表明：钢管约束钢筋混凝土柱在弯-扭荷载下的荷载-变形滞回曲线存在比较明显的“捏拢”效应，但在压-弯-扭荷载下的荷载-变形滞回曲线“捏拢”效应较小，当轴压力为受压承载力的30%时，压-弯-扭荷载下的钢管约束钢筋混凝土柱较弯-扭作用时具有更高的受弯和受扭承载力及良好的耗能能力。     

Experimental study on seismic behavior of different seismic grade RC columns

通过9个剪跨比为4的钢筋混凝土（RC）柱试件的拟静力试验,研究不同抗震等级RC柱的抗震性能及水平力循环次数对其抗震性能的影响。结果表明：试件的破坏形态为压弯破坏,顶点水平力 位移滞回曲线比较饱满,极限位移角为1/48~1/32。抗震等级相同的RC柱,其抗震性能差别不大,但轴压比高的RC柱的极限位移角略小、破坏程度略为严重;配箍特征值相同时,抗震等级高的RC柱的弹塑性变形能力大于抗震等级低的RC柱。位移角为1/50时,水平力循环次数对试件的承载力退化、割线刚度退化及破坏程度影响不显著;位移角为1/30时,水平力循环次数增加,试件的承载力退化、割线刚度退化幅度增大,破坏加重。     

柱端弯矩增大系数取值对RC框架结构抗震性能影响的评估

增大柱端抗弯承载力是抗震“能力设计”的关键措施之一,它可以导致钢筋混凝土框架结构形成梁铰型有利的耗能机构。评估不同柱端弯矩增大系数(0.8￣2.4)下钢筋混凝土框架结构的抗震性能。首先采用可靠度理论分析框架结构单节点“强柱弱梁”设计的失效概率;然后,考虑主要影响梁柱强弱的设计参数和地震加速度峰值的随机性,以3层和6层框架结构为分析对象,采用蒙特卡罗模拟分析结构楼层和整体形成“柱铰机构”的抗震位移需求超越位移能力的概率,分析结果表明柱端弯矩增大系数大于2.0,框架结构才能达到可以接受的形成“柱铰机构”概率;最后,以6层确定性框架结构为例,通过增量动力分析建立能有效评估柱端弯矩增大系数的易损性曲线。     

钢筋混凝土柱弯剪破坏恢复力模型骨架曲线

为研究弯剪破坏柱的抗震性能,进行了不同设计参数的24根钢筋混凝土（RC）柱的拟静力试验,分析了剪跨比、轴压比及配箍率（箍筋间距）对柱破坏模式及其抗震性能的影响,给出了确定弯剪破坏柱开裂、屈服和破坏时对应荷载及位移的计算方法,并提出了建立弯剪破坏柱恢复力模型骨架曲线的简化方法。研究结果表明：发生弯剪破坏的柱,其变形在2Δy～4Δy前弯曲作用明显,滞回曲线饱满,但之后由于抗剪能力不足会突然丧失承载力;利用弯剪破坏柱的3个特征点（开裂点、屈服点、剪切破坏点）建立其恢复力模型骨架曲线的方法,简化了RC柱的受力分析,可用于计算地震作用下弯剪破坏RC柱的荷载-变形全曲线。建立的恢复力模型骨架曲线与试验曲线吻合较好。     

不同弯矩增大系数钢筋混凝土框架结构地震易损性分析

设计3个不同柱端弯矩增大系数的钢筋混凝土框架结构模型,考虑结构材料、荷载及地震动参数的随机性,分别对其进行随机增量动力分析（IDA）,以地震峰值加速度（a _pg）作为地震动强度指标,结构的顶点最大位移角θ_max作为结构的反应参数,得到各结构模型的IDA曲线。在IDA分析的基础上,对各结构模型进行地震需求概率分析,通过定义4个抗震性能水平,对各模型进行随机pushover分析,确定各性能水平的限值,分别对各结构模型进行易损性分析,得出各结构的地震易损性曲线。计算分析结果表明：弯矩增大系数的取值对结构的易损性有一定的影响,其取值越大时,结构在地震作用下倒塌的概率越小;在一定的范围内(0.2g≤a _pg≤1.0g),当结构的塑性程度发展越大时,提高弯矩增大系数对结构抗震性能的贡献越明显;建议规范修订时可适当增加柱端弯矩增大系数的取值。