钢筋混凝土结构小比例尺模型设计方法及相似性研究

为研究高温下缩尺模型和足尺模型力学性能的相似性,力求通过缩尺模型结果反推得到足尺模型的耐火性能,设计12根钢筋混凝土柱的足尺模型,并基于相似理论建立对应的2/3、1/2和1/3缩尺模型,同时,根据缩尺比调整各组缩尺模型的实际升温曲线、轴力和位移加载速率,并基于ABAQUS软件对各组模型进行耐火性能分析,对比各组原型化的缩尺模型和足尺模型的高温力学性能。研究结果表明：通过调整结构相似关系、时间相似关系和温度场相似关系,经过原型化的缩尺模型和足尺模型的截面温度分布、柱顶轴向位移、耐火极限和极限承载力均具有较好的相似关系,即通过缩尺模型柱可以相对较为准确地反映足尺模型柱的耐火性能。     

高温下钢筋混凝土异形柱的数值分析方法

将钢筋混凝土异形柱沿高度划分为若干小段,假定每一小段内各截面的曲率线性变化,结合虚梁法和结构截面在力和温度作用下的非线性增量有限元分析方法,提出了钢筋混凝土异形柱高温下基于虚梁法的数值分析方法,同时建议了高温下每一增量步内混凝土和钢筋应力-应力应变点位置的确定方法。编制了相应的程序RCSSCF,程序考虑了轴力的二阶效应,程序的有效性得到试验结果的验证。研究表明:基于虚梁法的数值分析方法计算的耐火极限总体上略小于基于变形假定的数值分析方法计算的耐火极限。     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

多维动力加载条件下钢筋混凝土柱力学性能的研究

本文通过钢筋混凝土柱在多维动力加载下的试验,研究了钢筋混凝土柱在不同加载速率下的动态力学性能。试验结果表明：加载速率的提高会有效的提高构件的承载能力;随加载速率的提高,构件的刚度退化、强度退化和损伤进程均有不同程度的增强;双向加载及变轴力加载受加载速率的影响更为显著;构件发生破坏的区域更加局部化;构件的延性和变形能力有所降低,在双向加载并伴随有轴力变化的加载条件下表现尤为明显。     

基于Bayesian理论的弯剪破坏钢筋混凝土柱变形能力概率模型

为了准确预测地震作用下弯剪破坏钢筋混凝土（RC）柱的变形能力,基于Bayesian理论提出了一种建立柱类构件变形能力概率模型的方法。首先对已有RC柱变形能力公式进行评价并选作先验模型,再借助美国PEER柱抗震性能试验数据库中发生弯剪破坏的20根矩形截面RC墩柱的拟静力试验数据作为客观认识,应用Bayesian参数估计方法综合这两类信息进行推断,修正先验模型的偏差从而建立反复荷载作用下弯剪破坏RC柱变形能力的概率模型;采用Bayesian方法剔除影响修正效果不显著的因素以获得模型简化,达到对先验模型的动态更新。最后,讨论了不同形式修正项对修正效果的影响。结果表明,Bayesian方法既继承了先验信息的完备性,又利用了试验数据的准确性,建议的概率模型较已有公式能够更准确地预测弯剪破坏RC柱的变形能力,从而为RC柱抗震设计或评估中考虑能力不确定性提供了便利。     

爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型

目前常用于爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的精细化模型,建模复杂、计算效率低,难以在大规模计算中应用。该文研究了纤维模型在模拟爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应和破坏的缺陷,针对该缺陷在纤维模型的基础上引入弹簧单元,建立了爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型,并给出了模型参数的确定方法。最后以某典型钢筋混凝土柱为例,分别通过精细化模型和宏观模型对其在不同爆炸工况下的动态响应和破坏进行对比分析,结果表明,提出的宏观模型在计算效率高的同时,能够明显弥补纤维模型的缺陷,达到和精细化模型相近的分析结果。     

钢管混凝土柱-RC梁平面框架耐火性能分析

建立了外荷载和升、降温火灾共同作用下钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁平面框架结构的有限元分析模型,用已有试验数据对模型进行了验证。在有限元模型基础上,对钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁平面框架在ISO-834标准升、降温火灾下的力学性能进行了分析,研究了梁荷载比、柱荷载比和升温时间比等参数的影响规律。分析结果表明该组合框架不仅会在升温过程中破坏,也会在降温过程中破坏。该组合框架是否会在降温段发生破坏,跟梁荷载比、柱荷载比和升温时间比有关。     

钢筋混凝土柱纵筋屈曲长度简化计算模型

为研究钢筋混凝土柱在地震作用下的纵筋屈曲及影响因素,该文基于最小能量原理,提出了考虑钢筋非线性的纵筋屈曲长度简化计算模型。采用不同配筋形式的73个矩形钢筋混凝土柱,验证简化屈曲模型的可靠性,并与Dhakal和Maekawa提出的简化计算模型（D&M模型）进行对比分析。结果表明：屈曲时纵筋进入非线性,通过误差分析,纵筋等效弹性模量取0.025倍钢筋初始弹性模量;箍筋对纵筋的侧向约束可简化为线性弹簧,弹簧刚度与箍筋截面面积及配箍形式有关;简化计算模型可以较好地预测纵筋屈曲长度,预测结果明显优于D&M模型。     

钢筋混凝土柱冻融损伤模型研究

为研究冻融后钢筋混凝土柱在地震作用下的响应,根据冻融损伤在构件截面分布的不均匀性,基于纤维截面分析方法,提出可考虑该分布的混凝土强度退化模型,以及等效冻融循环次数的计算方法。根据8榀考虑冻融影响的钢筋混凝土柱拟静力加载试验数据,对该文提出的模型进行了验证,同时与既有考虑冻融的混凝土模型进行了对比分析。结果表明：与未考虑冻融损伤分布的既有模型相比,该文模型的计算承载力较小,与试验数据吻合更好,即能够更准确地模拟不同程度冻融损伤后钢筋混凝土柱的地震反应。     

钢筋砼十字形柱的耐火极限研究

利用数值模拟程序RCSSCF分析了荷载比、柱计算长度、截面尺寸、荷载偏心率、配筋率和荷载角等参数对ISO834标准升温作用下钢筋砼等肢十字形柱耐火极限的影响规律。针对不同荷载比、柱计算长度、截面尺寸、荷载偏心率和配筋率共1080种工况进行了四周受火时钢筋砼等肢十字形柱的高温反应分析。在此基础上,定量给出了该类构件耐火极限的实用计算方法。研究表明:荷载角对十字形柱耐火极限影响较小;严格控制荷载比是提高十字形柱耐火极限的有效措施。     

空腹式型钢混凝土异形柱中框架受力机理的有限元分析

在试验研究的基础上, 采用通用有限元软件ABAQUS对空腹式型钢混凝土(SRC)异形柱中框架在单调荷载作用下的受力机理进行了研究。计算和分析了该结构的水平荷载-位移骨架曲线;对结构整体及节点核心区等关键位置在加载结束时的变形进行分析, 并与试验结果进行对比。分析表明, 有限元计算曲线与试验实测曲线吻合较好, 结构有限元模拟的最终变形与试验结果较为一致, 验证了建立的有限元模型的合理性。对结构受力全过程典型时刻、典型位置处的混凝土及型钢截面应力分布和发展规律进行了分析, 揭示了空腹式SRC异形柱中框架的受力机理, 可为这类结构的设计及其工程应用提供参考。     

增大截面法加固高温损伤混凝土柱的试验研究

通过对11根三面加温(800℃)后单面加固的钢筋混凝土小偏心受压试件进行加载试验,分析了不同偏心距、不同强度混凝土加固试件的受力性能,包括试件的承载力、变形规律及破坏特征。结果表明,此类构件的受力性能与普通混凝土加固柱有着显著的差别。试验结果可为分析或设计火灾后增大截面法加固的混凝土结构提供依据。     

火灾后钢筋混凝土柱的剩余承载力研究

对ISO834标准火灾作用后钢筋混凝土柱的剩余承载性能及方形柱剩余承载力的实用计算方法进行了研究。结合高温后混凝土和钢筋的本构模型及虚梁法,建立了火灾作用后钢筋混凝土柱剩余承载力的数值分析模型,并编制了相应的程序CAFIRE,程序考虑了轴力的二阶效应。利用程序分析了相关参数对标准火灾作用后钢筋混凝土方形柱剩余承载力的影响规律。针对不同受火时间、计算长度、截面尺寸、荷载偏心率、配筋率和荷载角等情况,共进行了2700种工况下钢筋混凝土方形柱剩余承载力分析。在计算结果的基础上,定量给出了标准火灾作用后钢筋混凝土方形柱剩余承载力的实用计算方法。最后利用程序比较了不同受火时间后相同横截面面积、相同配筋率、不同截面形状混凝土柱的剩余承载力。     

火灾后型钢混凝土柱抗震性能有限元计算模型

该文建立了型钢混凝土柱温度场计算模型,计算结果与实测结果吻合较好。同时,还提出了型钢混凝土柱过火最高温度场的计算方法,并在考虑型钢与混凝土之间以及钢筋与混凝土之间的界面粘结滑移特性的基础上提出了火灾后型钢混凝土柱抗震性能的有限元计算模型,计算结果与试验结果吻合较好。该文模型可用于型钢混凝土柱火灾后抗震性能的计算与分析。     

压弯剪作用下钢筋混凝土柱荷载-变形分析

为研究不同破坏模式下钢筋混凝土柱的受力机理及性能,该文提出能够考虑压弯剪相互作用的钢筋混凝土柱荷载-变形分析模型。以修正压力场理论及传统纤维截面分析法为基础,将柱受力过程分为弯曲控制及剪切控制两个阶段,分别对控制截面受拉区和受压区进行分析,同时考虑了纵筋受压屈曲及P-Δ效应的影响,进而得到柱水平受剪承载力及其变形。最后,为验证模型的有效性,对所收集的拟静力试验柱进行了模拟。结果表明,压弯剪作用下钢筋混凝柱会表现出弯曲、弯剪及剪切三种不同的破坏模式,其荷载-变形性能差异较大,采用该文所提模型所得计算曲线与试验结果吻合较好,该模型能够被用于钢筋混凝土柱抗震性能分析。     

型钢混凝土异形柱框架地震损伤分析

为实现对型钢混凝土异形柱框架的地震损伤分析,采用加权系数法建立了能够反映构件损伤、楼层损伤和整体框架损伤三者迁移演化的地震损伤模型,并对两榀型钢混凝土异形柱框架进行了地震损伤试验及有限元模拟,获得了梁的弯矩-转角滞回曲线和柱的水平荷载-位移滞回曲线,进而对试件的地震损伤指数进行了计算分析。结果表明,构件、楼层和整体框架的损伤指数变化规律与试件的破坏发展历程较为吻合,说明所建立的型钢混凝土异形柱框架地震损伤模型是合理的。基于试件的破坏状态及地震损伤分析结果,提出了型钢混凝土异形柱框架对应5个性能水平的损伤指数范围,为该类结构的震后损伤评估提供了依据。     

钢筋混凝土结构空间有限元分析的体梁组合单元

本文提出了一种用于钢筋混凝土结构空间有限元分析的体梁组合单元模型。该模型将混凝土体元内的钢筋作为能承受轴力、剪力、弯矩和扭矩的梁元,根据钢筋和混凝土在单元内的位移协调条件和虚功原理将两者组合成一个单元。体梁组合单元模型能较全面地反映混凝土内钢筋的力学效应,能适应钢筋的任意布置方式,容许用较大的单元对结构进行离散,解决了大型钢筋混凝土结构有限元分析的单元划分问题。数值算例及其与解析解的比较演示了模型的可行性和精度。