地震作用下钢筋混凝土柱纵筋屈曲研究进展

阐明钢筋受压屈曲的概念,从单根钢筋和钢筋混凝土柱纵筋两个方面对地震作用下钢筋混凝土柱纵筋屈曲的研究进展进行论述。分析影响钢筋屈曲 的主要因素,介绍具有代表性的几个考虑屈曲的钢筋本构模型;讨论纵筋屈曲试验研究中存在的问题及解决方法,论述考虑纵筋屈曲的钢筋混凝土柱设计及 抗震性能数值分析方法。最后,总结出纵筋屈曲需要进一步研究的问题。     

考虑纵筋屈曲的钢筋混凝土柱抗震性能数值仿真

纵筋屈曲行为是结构构件震后损伤及实验室抗震研究中常观察到的典型失效模式。为研究纵筋屈曲对钢筋混凝土柱在水平往复循环荷载作用下滞回性能的影响,基于Dhakal和Maekawa提出的纵筋受压等效屈曲长度计算方法,给出了基于Open Sees程序考虑纵筋屈曲的数值建模方法。对已有钢筋混凝土柱水平往复加载试验进行数值仿真分析,结果表明,考虑纵筋屈曲行为的数值建模方法可以更好地模拟钢筋混凝土柱的水平往复滞回性能,特别是对于轴压比较大的钢筋混凝土柱尤为重要,不考虑纵筋屈曲行为将显著高估钢筋混凝土柱在达到水平极限承载能力之后的水平承载力和位移延性性能。研究成果可为钢筋混凝土抗震性能数值仿真和水平承载力评估提供参考。     

配置HRB500大间距纵筋的钢筋混凝土柱抗震性能研究

通过对6个配置32大间距高强纵筋和1个普通配筋钢筋混凝土柱的低周反复加载试验,研究了在柱根截断的纵向构造钢筋和轴压比对配置大间距HRB500纵筋的钢筋混凝土柱抗震性能的影响。试验结果表明,当试验轴压比介于0.13~0.21范围时,仅在截面角部集中配置32纵筋的混凝土柱,其水平荷载-位移滞回曲线的饱满度、屈服荷载和峰值荷载均略低,裂缝分布差别不明显;柱内纵向构造钢筋不连续的位置会出现受力薄弱面,影响受力性能;轴压比高的试件极限承载力高,延性相对较差;箍筋肢距对承载力的影响在可接受范围内,柱的承载力计算可采用现行规范中的公式进行。     

配置大间距高强纵筋的钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

为了解轴压比和纵向构造钢筋对配置大间距高强纵筋柱的抗震性能的影响,对6个配置■40大间距高强纵筋和1个普通配筋钢筋混凝土柱进行了低周反复加载试验。试验结果表明:当试验轴压比介于0.13~0.21时,与纵筋沿截面周边均匀配置的普通柱相比,仅在截面4个角部配置■40受力纵筋的混凝土柱,其水平荷载-位移滞回曲线的饱满度和耗能能力略低,屈服荷载和峰值荷载与普通配筋柱相当;轴压比为0.20~0.21的试件的极限荷载较高,但延性差;由于受力纵筋直径较大,采用■40纵筋的试件在试验轴压比范围内都会出现沿纵筋开展的黏结滑移裂缝;配置在柱根截面截断的纵向构造钢筋会在柱根形成受力薄弱面,对滞回性能和耗能能力略有影响。研究结果表明配置大间距高强纵筋柱的承载力可采用GB50010—2010《混凝土结构设计规范》中相关公式进行计算。     

成型格网箍筋混凝土柱受力及抗震性能试验研究

为研究成型格网箍筋混凝土柱和成型格网箍筋多重配筋混凝土柱的受力及抗震性能,分别对采用传统绑扎箍筋和成型格网箍筋的6个混凝土柱和10个成型格网箍筋多重配筋混凝土柱进行了轴压试验和低周往复加载试验研究,对比分析采用成型格网箍筋和传统绑扎箍筋的混凝土柱的受力性能,研究在核心格网区域设置不同配筋率纵筋和纵筋布置方式等对成型格网箍筋多重配筋混凝土柱的受力性能影响。研究结果表明：采用成型格网箍筋代替传统绑扎箍筋,钢筋混凝土柱的受力机理基本一致,成型格网箍筋能达到屈服应变,箍筋性能得到充分发挥,成型格网箍筋混凝土柱的轴压承载力和抗震性能更优;成型格网箍筋可为核心格网区域布置的纵筋提供有效支撑,纵筋的受压强度得到充分利用,延性可达到规范要求。在试验研究基础上,提出了成型格网箍筋多重配筋混凝土柱轴压比计算公式和轴压比限值建议。从公式计算结果与试验结果对比可知,成型格网箍筋多重配筋柱的实测轴压承载力高于公式计算结果,柱轴压比计算时,可计入核心格网区域配置的纵筋轴压承载力贡献。     

考虑屈曲影响的钢筋本构修正模型及试验验证

柱端塑性铰在软化受力后期的重要非线性特征之一是纵筋屈曲,不考虑屈曲影响的钢筋本构模型将高估压弯构件受力后期的承载力。以Gomes和Appleton建立的钢筋屈曲模型(GA模型)为基础,在对GA模型进行对比计算、理论分析后,针对Open Sees程序中单轴材料模型Reinforcing Steel对GA模型进行改进时所采用方法存在的缺陷,采用参数更简单、应用更方便的方法对GA模型进行了修正。最后分别以Cosenza等人及笔者完成的考虑屈曲的钢筋循环受力试验结果为依据,对原始GA模型、Reinforcing Steel模型和建议的修正Reinforcing Steel模型的计算结果进行了对比分析。结果表明,采用建议的修正Reinforcing Steel模型能更方便、准确地模拟试验钢筋的屈曲受力特征。     

反复荷载作用下钢筋混凝土柱的非线性分析

分别应用有限元分析软件ABAQUS和OpenSEES对Kawashima Earthquake Engineering Laboratory数据库中的一根钢筋混凝土柱在反复荷载作用下力-位移的滞回曲线进行了数值模拟研究。ABAQUS分析时采用分离式建模,混凝土采用实体单元,钢筋采用桁架单元,混凝土的本构关系采用混凝土损伤塑性模型,其中损伤因子采用基于能量损伤原理进行计算,钢筋本构关系采用一种再加载刚度按Clough本构退化的随动硬化单轴本构模型,并用Embed技术进行自由度的耦合;OpenSEES分析时采用dispBeamColumn梁柱单元,混凝土采用Concrete01本构模型,采用Mander模型考虑箍筋的约束作用对混凝土本构参数进行修正,钢筋采用Steel02本构模型。通过两种软件对钢筋混凝土柱在反复荷载作用下的受力分析以及与试验结果的对比,OpenSEES的模拟结果能更全面反映柱的滞回曲线的整体特性,因此对于压弯受力特征的钢筋混凝土柱建议采用OpenSEES进行反复荷载作用下的非线性分析。     

HRB600钢筋混凝土短柱轴压性能试验研究

通过对6根HRB600钢筋、1根HRB500钢筋混凝土短柱和2根素混凝土短柱进行轴心受压试验,分析不同配筋率、混凝土强度、钢筋强度、长细比对钢筋混凝土柱轴压性能的影响,提出HRB600钢筋的抗压强度设计值,分析GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》中关于轴心受压承载力计算公式的适用性。研究结果表明:随着纵筋配筋率、钢筋强度和混凝土强度的提高,轴压短柱的峰值荷载增大;轴压短柱峰值应变随混凝土强度提高而减小,随钢筋强度提高而略有增大,纵筋配筋率和长细比对峰值应变影响较小;HRB600钢筋抗压强度设计值取为500 MPa,HRB600钢筋混凝土短柱与普通钢筋混凝土短柱的受力性能相似,轴心受压承载力可以按照GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》中规定的受压承载力公式进行计算,具有足够的安全储备。     

环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土柱抗震性能与损伤评价

为了研究海水珊瑚混凝土柱的抗震性能,以混凝土类型、纵筋配筋率、配箍率和轴压比为主要参数,开展了6个环氧涂层钢筋混凝土柱低周反复荷载试验,分析了柱的破坏形态、承载力、延性和滞回耗能等变化。研究结果表明：环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土具有良好的抗震性能,海水珊瑚混凝土对柱延性、刚度退化有明显影响,而对承载力与耗能能力影响较小;海水珊瑚混凝土柱位移延性系数和承载力较普通混凝土柱降低19.25%与6.67%,而屈服荷载和峰值位移分别提高5.94%、25.90%;环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土柱耗能能力和滞回特性随纵筋配筋率和轴压比的变化而显著改变;增大配箍率可提高其延性。针对环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土柱提出了骨架曲线模型与抗震损伤评估模型。分析表明,侧移达到弹塑性层间位移角限值时,海水珊瑚混凝土柱纵筋配筋率或配箍率宜分别提高10%、16%,可以使其震损水平与普通混凝土柱相近。     

活性粉末混凝土短柱抗震性能数值模拟

为了研究活性粉末混凝土(Reactive powder concrete,简称RPC)短柱的抗震性能,运用有限元软件ABAQUS对RPC短柱进行了低周反复荷载作用下力学性能的数值模拟,研究了RPC短柱的破坏形态、滞回曲线和骨架曲线。RPC模型采用混凝土损伤塑性模型,其中损伤因子采用基于RPC本构的能量等效法求得。钢筋本构采用双折线模型。将模拟结果与试验结果进行对比,得到了较好的吻合性。在此基础上,研究了轴压比、配箍率和纵筋配筋率的变化对RPC短柱抗震性能的影响。研究结果表明:随着轴压比的增大,试件的延性逐渐降低,轴压比从0.2增加至0.5,位移延性系数从3.30降低至2.61;试件的抗剪承载力随轴压比的增大而增大,但在加载后期,高轴压比试件的承载力和刚度退化较快;配箍率和纵筋配筋率的增大均可以改善试件的抗震性能,但配箍率主要影响加载后期试件的延性,而纵筋配筋率主要影响试件的抗剪承载力。     

配置HRB600E高强钢筋的混凝土柱抗震性能试验研究

HRB600E钢筋是一种新型高强度钢筋,为改善矩形柱抗震性能并推广HRB600E级高强钢筋的应用,通过对6个配置HRB600E钢筋的不同轴压比、不同钢筋强度和纵筋配筋率的混凝土矩形柱进行低周往复荷载试验,得到试件的滞回曲线、骨架曲线和纵筋应变曲线。对比分析高强钢筋混凝土柱的破坏特征、滞回特性、骨架曲线、刚度退化等抗震性能指标。研究结果表明:配置HRB600E高强钢筋的混凝土柱的破坏特征与配置普通钢筋的混凝土柱相似;通过减小轴压比或增加钢筋强度均能改善配置HRB600E高强钢筋试件的滞回特性、减缓刚度退化、提高试件的抗震性能;配置高强钢筋的构件与高强混凝土配合使用时受力性能更优。     

轻钢轻混凝土柱轴心受压承载力试验研究

通过6根轻钢轻混凝土柱的轴压试验,研究了不同长细比、含钢率和缀板间距等参数对其轴压承载受力性能的影响.试验结果表明：含钢率一定时,长细比为57.2的轻钢轻混凝土柱发生整体失稳破坏,长细比为40.1和46.7的轻钢轻混凝土柱发生强度破坏,破坏时钢管均发生了局部屈曲;轻钢轻混凝土柱的承载力随含钢率增大而增大,随长细比增大而减小,而缀板间距对轻钢轻混凝土柱的承载力影响不大;轻钢轻混凝土柱与普通混凝土柱的抗压破坏机理和形态基本相似,其轴压承载力可按普通混凝土柱轴压承载力公式计算.     

Nonlinear Buckling Analysis of H-Type Honeycombed Composite Column with Rectangular Concrete-Filled Steel Tube Flanges

This paper was concerned with the nonlinear analysis on the overall stability of H-type honeycombed composite column with rectangular concrete-filled steel tube flanges (STHCC). The nonlinear analysis was performed using ABAQUS, a commercially available finite element (FE) program. Nonlinear buckling analysis was carried out by inducing the first buckling mode shape of the hinged column to the model as the initial imperfection with imperfection amplitude value of L/1000 and importing the simplified constitutive model of steel and nonlinear constitutive model of concrete considering hoop effect. Close agreement was shown between the experimental results of 17 concrete-filled steel tube (CFST) specimens and 4 I-beams with top flanges of rectangular concrete-filled steel tube (CFSFB) specimens conducted by former researchers and the predicted results, verifying the correctness of the method of FE analysis. Then, the FE models of 30 STHCC columns were established to investigate the influences of the concrete strength grade, the nominal slenderness ratio, the hoop coefficient and the flange width on the nonlinear stability capacity of SHTCC column. It was found that the hoop coefficient and the nominal slenderness ratio affected the nonlinear stability capacity more significantly. Based on the results of parameter analysis, a formula was proposed to predict the nonlinear stability capacity of STHCC column which laid the foundation of the application of STHCC column in practical engineering.     

带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱滞回性能研究

对3根带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱进行滞回试验,主要参数为轴压比。试验结果表明：纵向加劲肋有效延缓了钢管壁局部屈曲的发生;其滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力;随着轴压比的增大,柱承载力略有增大,而延性、耗能能力则明显减小;当横向位移大于6倍的屈服位移时,大轴压比的刚度退化速度最快。建立了该类试件的有限元模型,对比可得有限元模拟结果与试验结果吻合较好。基于有限元模型对该类构件开展机理分析和参数分析。结果表明：在带肋冷弯薄壁方钢管的约束下,核心混凝土的强度得到了较大提高;钢管局部屈曲发生在峰值荷载后,局部屈曲只发生在纵向加劲肋和钢管角部间;材料强度、轴压比、钢管宽厚比和长细比等参数对该类构件的承载力有较大影响;混凝土强度、轴压比和长细比对荷载-位移骨架曲线形状有较大影响。基于参数分析建议了该类构件的简化滞回模型,简化计算结果和有限元计算结果吻合较好。     

压弯钢构件在循环荷载作用下的非线性弯扭屈曲

本文根据非线性有限元的基本理论,采用基于修正的拉格朗日法描述的八节点超参数壳体单元,考虑几何非线性和材料非线性,结合混合强化本构关系,编制了非线性有限元计算程序。对压弯钢构件在循环荷载作用下的弹塑性弯扭屈曲进行计算机模拟,系统分析了H形截面压弯钢构件的滞回特性,以及翼缘宽厚比、腹板高厚比、构件轴压比和长细比对压弯钢构件弯扭屈曲的影响规律。通过对计算结果的比较,提出了强烈地震条件下,H形截面压弯钢构件在循环荷载作用下保持整体稳定,满足延性要求,具有较高屈曲后强度的长细比和板件宽厚比限值。     

圆端形钢管混凝土中长柱轴压性能

为研究圆端形钢管混凝土中长柱的轴压性能,考虑了构件千分之一杆长的初弯曲,使用有限元软件ABAQUS建立了圆端形钢管混凝土中长柱精细化有限元分析模型,利用已有试验数据验证有限元模型的合理性与精确性,在此基础上分析了试件的变形模式和承载能力状态,比较短柱、中长柱与长柱性能的不同,得出了圆端形钢管混凝土界限长细比。综合分析了长细比、钢管厚度、混凝土强度、钢材强度、高宽比等参数,提出了圆端形钢管混凝土中长柱极限承载力简化计算公式,并对简化计算公式的准确性进行了验证。结果表明:短柱为强度破坏,中长柱发生弹塑性失稳破坏,长柱发生弹性失稳破坏; 在其他条件相同的情况下,圆端形钢管混凝土中长柱的极限承载力、延性与长细比呈负相关,与钢材强度、钢管厚度呈正相关,混凝土强度的变化对承载力和延性的影响不大; 短柱与中长柱界限长细比λ₀=10～11,中长柱与长柱界限长细比λ_p=86.4～96.0; 与试验数据及有限元计算结果相比,承载力公式具有足够精度,可为圆端形钢管混凝土中长柱研究与工程应用提供理论依据。     

Investigation on seismic performance and shear strength of high‐strength concrete‐filled polyvinyl chloride tube short columns

This paper innovatively designs polyvinyl chloride tube (PVCT) with high‐strength concrete (HC) and presents the results of cyclic loading tests on new reinforced high‐strength concrete short columns, including three high‐strength concrete‐filled PVCT (HC‐PVCT) short columns, one high‐strength concrete‐filled steel tube short column and one HC short column. The main objective of this research was to evaluate the seismic behaviors of HC short columns based on the quasistatic test of the columns. The design parameters of the columns in the experiments were axial compression ratio, reinforcement measures, concrete strength, stirrups configuration, and the height‐diameter ratio of tubes. The crack distribution, failure modes, hysteresis loops, skeleton curves, energy dissipation capacity, strength degradation, stiffness degradation, and cumulative damage of the columns were presented and analyzed. The results showed that the HC‐PVCT column had a fuller hysteretic loop and a higher peak load than the HC column. Compared with HC column, the strength degradation of HC‐PVCT columns was slower, and the ductility increased significantly. With a larger axial compression ratio, the ductility of HC‐PVCT columns was decreased. Based on the test and analysis results, a modified HC‐PVCT design method was proposed to calculate the nominal shear strength of HC‐PVCT short columns.     

轻钢桁架柱轴压性能试验研究

通过10根轻钢桁架柱的轴压试验,研究了不同长细比和扣板间距等参数对轻钢桁架柱轴压承载受力性能的影响。结果表明:在轴向压力作用下,轻钢桁架柱主要发生弯曲屈曲破坏,且在没有任何侧向约束条件下双管柱不适于承受竖向荷载;轻钢桁架柱的承载力随着长细比的增加而显著下降;扣板间距对轻钢桁架柱的承载力影响不大,但要符合分肢长细比的要求;轻钢桁架柱可视为缀板式格构柱,双管柱按照实腹式轴心压杆的方法计算承载力,四管柱采用换算长细比的方法计算其绕虚轴弯曲屈曲破坏的极限承载力。     

考虑低周疲劳效应的圆管截面钢支撑现象滞回模型

通过ABAQUS分析软件对一系列不同长细比、径厚比圆管截面钢支撑的压屈承载力、非线性屈曲平衡路径、卸载 再加载路径及损伤进行计算和统计，并选取典型构件计算结果与现有试验结果进行了对比，证明了有限元模型的准确性。通过统计的数值数据及现有的试验数据，拟合了简单、有效的圆管截面钢支撑现象滞回模型。该模型采用Coffin-Manson公式和Miner线性累积法则进行支撑低周疲劳损伤预测，建立了材料强度折减与疲劳损伤的相关公式，可以考虑支撑在滞回过程中的一些复杂非线性行为，如受拉屈服、受压非线性屈曲、包辛格效应及低周疲劳效应引起的材料强度折减和断裂等。该模型预测的支撑滞回曲线和累积能量耗散曲线与现有试验和校正的有限元模型的计算结果吻合较好，且计算耗时大幅缩减，适用于圆管截面钢支撑结构的非线性分析。     

方钢管活性粉末混凝土柱地震损伤模型研究

为研究方钢管活性粉末混凝土(RPC)柱在水平低周往复荷载作用下的抗震性能和地震损伤模型,利用ABAQUS有限元软件建立了125根不同参数(含钢率、轴压比及长细比)的方钢管RPC柱模型,对其滞回曲线、骨架曲线、延性及耗能能力进行分析。参考Park损伤模型和付国有效耗能假设,提出一种基于变形和有效累积滞回耗能的双参数损伤模型,非线性拟合得到损伤参数α=0.851和β=-0.508。研究结果表明:滞回曲线的形状规则且饱满,说明方钢管RPC柱具有良好的变形能力和耗能能力,有限元分析结果与试验结果吻合较好,验证了方钢管RPC柱模型建立的正确性; 将方钢管RPC柱试件的变形和有效累积滞回耗能结果代入损伤模型计算的试件损伤变量D值均接近于1,试件最终破坏形态及其损伤变量D值与损伤评估中《建(构)筑物地震破坏等级划分》(GB/T 24335—2009)规定的地震破坏等级中的破坏现象及其所对应的损伤变量D值基本一致,说明该损伤模型能较好地反映方钢管RPC柱的地震损伤状态。