钢筋混凝土柱动力性能试验及数值模拟研究

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混凝土材料依然是当今土木工程建设中用量最大、用途最广的建筑材料,在我国社会基础设施建设当中发挥着巨大的支撑作用。然而,如何正确反映混凝土材料在地震和强风等动力荷载作用下的力学行为,仍然是研究者面临的挑战之一。动力荷载作用下的应变率效应对材料性能会产生明显的影响。目前我国抗震设计规范并没有考虑应变率变化对材料及结构性能的影响,因此,深入研究钢筋混凝土结构在动力作用下的行为,对于提高结构的抗震设计水平和评估结构的抗震性能,具有重要意义。基于上述背景,本文对钢筋混凝土柱在不同加载速率下的力学行为进行了试验以及数值模拟研究,并开展了基于压电陶瓷的混凝土柱损伤监测研究,研究工作从以下几个方面开展。(1)对多个钢筋混凝土柱试件进行了快速加载试验。在试验当中考虑加载速率、纵向钢筋配筋率、轴压比以及加载机制等因素的影响。试验结果表明:随着加载速率提高,承载能力提高显著,耗能能力增强,但荷载退化以及刚度退化均加快;快速加载下配筋率的提高,能够延缓荷载退化,使得耗能能力增强,但刚度退化加快;轴压比是影响结构延性的一个重要因素,快速加载下荷载退化、刚度退化均随它的增大而增大,而耗能能力降低;单调快速加载模式下的承载能力比循环快速加载模式得到的结果要大。(2)为了考虑混凝土随机性的影响,设计了相同的试件,并进行了相同动力加载条件下的重复试验,尽管承载力结果有些许差别,但总体上比较接近。(3)在数值模拟方面,分别采用CEB规范和Shah建议的的混凝土动力本构关系,运用纤维单元模型对不同加载速率下钢筋混凝土柱的动力行为进行了数值模拟,考虑了配筋率、轴压比等对钢筋混凝土柱动力行为的影响。与此同时,通过在通用有限元分析软件ABAQUS的塑性损伤模型中引入动力效应影响,对试件的动力性能进行了数值模拟。模拟结果与试验结果均吻合较好。(4)运用基于嵌入式压电陶瓷主动监测技术,并基于频响函数分析方法对在加载过程中钢筋混凝土柱的损伤发展过程进行了监测,通过与试验结果的对比分析,证明了该方法的有效性。并探讨了运用嵌入式压电功能块监测结构在动力荷载作用下应力发展过程的可行性。
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