震损钢筋混凝土柱剩余能力的数值模型

基于PEER数据库中公开的钢筋混凝土(RC)框架柱试验资料和已有地震损伤指数模型,总结了RC框架柱在产生不同损伤等级时对应的破坏特征,提出了相应的损伤等级评定标准。研究了RC框架柱在地震损伤过程中混凝土和钢筋的损伤演化规律,分别建立了震损RC框架柱损伤区不同位置处混凝土和钢筋的损伤演化方程,提出了考虑震损RC框架柱初始损伤的混凝土模型和钢筋模型。基于OpenSEES平台和纤维模型,建立了一种直接基于材料本构关系的震损RC框架柱的数值模型,该模型考虑了损伤区不同位置处截面材料的损伤差异以及同一截面不同位置处材料的损伤差异。任意选取已有的13根RC框架柱试验资料对震损RC框架柱的数值模型计算结果进行校验。结果表明该文模型能够较为准确的预测震损RC框架柱的剩余抗震能力。研究结果为震后RC结构的性能评估和加固决策提供分析模型。     

Optimal performance-based design of FRP jackets for seismic retrofit of reinforced concrete frames

External bonding of fiber-reinforced polymer (FRP) composites is now a well-established technique for the strengthening/retrofit of reinforced concrete (RC) structures. In particular, confinement of RC columns with FRP jackets has proven to be very effective in enhancing the strength and ductility of columns, and has become a key technique for the seismic retrofit of RC structures. Despite the large amount of research on the behavior of RC columns confined with FRP, little research has been conducted on the behavior of RC frames with FRP-confined columns. For the seismic retrofit of RC frames with FRP, apart from the structural response of a retrofitted frame, an important issue is how to deploy the least amount of the FRP material to achieve the required upgrade in seismic performance. With these two issues in mind, this paper presents an optimization technique for the performance-based seismic FRP retrofit design of RC building frames. The thicknesses of FRP jackets used for the confinement of columns are taken as the design variables, and minimizing the volume and hence the material cost of the FRP jackets is the design objective in the optimization procedure. The pushover drift is expressed explicitly in terms of the FRP sizing variables using the principle of virtual work and the Taylor series approximation. The optimality criteria (OC) approach is employed for finding the solution of the nonlinear seismic drift design problem. A numerical example is presented and discussed to demonstrate the effectiveness of the proposed procedure.     

预应力箍板RC柱抗震性能数值模拟及试验验证

为全面了解设置预应力箍板(PSJ)RC柱抗震性能,进一步研究施加横向预应力构件受力机理,建立PSJ-RC柱有限元模型,以剪跨比、轴压比、预应力度以及箍板用量为主要参数,开展弹塑性数值模拟。分析其破坏形态、承载力和变形能力,并进行不同轴压比、预应力度试件的试验验证。设置PSJ能够有效提高试件抗剪承载力,明显改善试件变形能力,尤其对高轴压比柱抗震性能的提高。增加预应力度能提高试件位移延性,预应力度宜控制在0.3―0.5,低于0.15可能导致箍板参与抗剪和横向约束作用降低,箍板配置参数在0.75―1.0能够最大发挥材料效能。设置PSJ能有效提高RC柱抗震性能,施工工艺简单、可行,可供工程实践参考。     

往复荷载下钢筋混凝土柱受力性能的数值模拟

准确预测地震荷载下钢筋混凝土柱的受力性能,对评估震后混凝土框架结构及桥梁结构的安全性和震害损失具有重要意义。由于复杂的材料性能和受力行为,地震作用下钢筋混凝土柱受力性能的准确计算目前仍需主要借助数值模拟,并且对数值模型中混凝土和钢筋材料的滞回本构关系提出了更高的精度要求。该文基于纤维分析模型,采用更加完善的反复荷载下钢筋和混凝土的本构,编制了可精确分析钢筋混凝土杆系结构及构件在往复荷载下受力性能的计算程序,并对不同轴压比和不同配筋率的2根压弯柱试件进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合良好。     

Seismic performance of post-mainshock FRP/steel repaired RC bridge columns subjected to aftershocks

This study compares the performances of three types of repair jackets on mainshock (MS) earthquake-damaged RC bridge columns subjected to aftershock (AS) attacks. These repair jackets include fiber reinforced polymers (FRP), thick steel, and thin steel wrapped with prestressing strands. Results obtained from incremental dynamic time history analyses on refined numerical finite element bridge models were utilized to evaluate the efficacy of different repair jackets application on the post-MS collapse safety of RC bridges subjected to AS attacks of various intensities. Numerical results indicated that the three repair jackets can effectively improve the bridge collapse capacity by approximately 20% under severe MS-severe AS even though they cannot restore the initial stiffness of damaged columns. Repair jackets for the severe MS-damaged columns were ineffective under moderate AS events and thus not required. Steel repair jackets exhibited higher energy dissipation under MS–AS sequences than FRP jackets. In the case of FRP jackets, bidirectional fiber wraps are recommended for plastic hinge confinement of MS-damaged bridge columns subjected to aftershocks.     

钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱的抗震性能试验研究

为更有效提高抗震加固效率, 提出采用钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱的思路。制作钢筋钢丝网砂浆加 固、钢筋网砂浆加固和未加固钢筋混凝土方柱三类共9个试件, 进行各柱在竖向恒定轴力和水平向低周反复加载作用下的抗震性能对比试验研究, 测试了各柱的抗震承载力、延性、破坏形态及其滞回特性, 讨论了配箍率、加固形式和轴压比对构件抗震性能的影响。结果表明:相对钢筋网加固柱, 钢筋钢丝网加固柱的耗能能力有大幅度的提高。     

混凝土结构中考虑滑移效应的钢筋本构模型研究

以钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）结构中的钢筋滑移效应为研究对象,通过黏结应力分布简化模型,得到了钢筋应力-滑移关系,基于已有拉拔试验数据验证了该钢筋滑移关系的可靠性。结合塑性铰长度模型建立了可考虑滑移效应的钢筋应力-应变理论关系,分析了混凝土强度、钢筋直径和塑性铰长度等参数对该关系的影响,提出了考虑滑移效应的双线性钢筋本构模型。基于OpenSEES有限元平台,将该模型用于纤维截面的宏观单元模型中模拟RC柱的侧向荷载-位移反应,通过与已有试验结果、不考虑钢筋滑移效应的纤维模型计算结果及考虑钢筋滑移效应的零长度纤维模型计算结果进行对比分析,验证了本文模型的精度和可靠性,并对其适用范围进行了讨论。结果表明,基于本文钢筋本构的纤维模型可以更为准确地计算RC柱的荷载-位移曲线,且能够考虑由钢筋滑移变形引起的柱顶附加水平位移。     

考虑粘结-滑移与剪切作用的钢筋混凝土柱侧向变形分析

钢筋混凝土柱在地震作用下发生弯剪破坏或剪切破坏,是结构丧失轴向承载能力甚至突然倒塌的重要原因。大量的试验研究显示钢筋混凝土柱总侧向变形由弯曲变形、粘结-滑移变形、剪切变形三种变形分量组成,这三种分量的共同作用决定了钢筋混凝土柱的受力变形反应。该文基于对构件变形分量研究,提出考虑粘结-滑移与剪切作用的钢筋混凝土柱侧向变形的宏单元模型。该模型模拟了静力反复荷载下的3个钢筋混凝土柱的试验模型,并对构件受力过程中各变形分量的变化以及各分量在总变形中的贡献进行了分析。结果表明该模型可以较准确的模拟水平荷载作用下剪切控制构件的受力变形反应全过程。     

HDC与RPC加固RC柱轴心受压性能试验研究

为研究高延性混凝土(HDC)和活性粉末混凝土(RPC)围套加固钢筋混凝土(RC)柱的轴心抗压性能,设计制作了8个RC方柱,其中4个采用HDC加固、3个采用RPC加固、1个未加固作为对比试件,通过轴心受压试验,研究了加固层材料、加固层受压方式和加固层是否配置钢筋网对试验结果的影响,分析了各试件的破坏形态、荷载-位移曲线和应变发展规律。试验结果表明:加固柱的破坏形态得到改善;配置钢筋网的加固层整体性较强;加固层与混凝土界面具有可靠的粘结强度,两者变形协调;加固试件的承载力和变形能力均有所提高;加固层直接受压的加固试件承载力提高幅度较大。通过分析加固层的工作机理,考虑了加固层应力滞后的影响,给出加固试件的受压承载力计算公式,其计算结果与试验结果较为吻合。     

预应力钢绞线网加固钢筋混凝土柱恢复力模型研究

基于16根采用新型预应力钢绞线网张拉锚固技术加固的钢筋混凝土柱和2根对比柱在反复荷载作用下的试验结果, 进行了恢复力模型研究。结合之前相关试验研究, 确定出材料的本构关系, 建立了预应力高强钢绞线网约束加固钢筋混凝土的应力-应变关系方程;考虑构件轴力的二次矩效应, 提出了在反复荷载下预应力加固钢筋混凝土柱骨架曲线的计算方法, 建立了相应理论模型;结合Clough滞回规则, 建立了相应的恢复力模型。研究表明:对试验的材料本构关系适当简化, 通过合理的假定, 由基本的内外力平衡方程和简单的滞回规则, 可得到构件从加载到破坏全过程与试验吻合良好的骨架曲线和滞回曲线, 由此建立的恢复力模型简单、适用, 可为预应力高强钢绞线网加固钢筋混凝土柱设计和施工提供参考。     

多室式钢管混凝土T 形短柱的非线性分析

通过定义等效方形截面和改变混凝土强约束区、弱约束区界线底角来衡量多室式T形截面内钢材对混凝土的整体约束作用,依据轴压试验结果修正了Mander 约束混凝土模型中有效侧向约束力及下降段的表达式,建立了核心混凝土的本构关系。应用ABAQUS 对8 个多室式钢管混凝土T 形短柱试件的轴压性能进行了模拟,模拟结果与试验数据的对比表明,该本构关系能较好地适用于对构件性能的非线性分析。在此基础上探讨了构件中钢材和混凝土的共同工作情况,发现其工作机理与其它截面形式的钢管混凝土柱较为一致。将多室式钢管混凝土T形柱视为由3个矩形钢管混凝土部件折减钢板后组成,应用叠加原理得出了构件的强度承载力公式,可供实际应用参考。     

结构尺寸对钢筋混凝土短柱抗震性能影响:细观分析

地震作用下,钢筋混凝土短柱由于承受竖向和水平荷载共同作用而往往产生脆性压-剪破坏行为,该脆性破坏可能表现出尺寸效应行为。借助混凝土细观结构特征,考虑非均质性以及钢筋/混凝土非线性相互作用的影响,建立了钢筋混凝土短柱力学行为研究的三维细观尺度数值模型。在模拟结果与试验结果吻合良好的基础上,研究了轴压比对不同结构尺寸尤其是大尺寸钢筋混凝土短柱抗震性能,如抗剪承载力、滞回特性、延性性能和耗能能力等参数的影响。最后,借助相关试验和模拟数据,基于经典的Bažant尺寸效应律思想提出了能够反映尺寸效应影响钢筋混凝土短柱抗剪承载力修正公式。     

钢筋混凝土矩形空心桥墩抗震性能

针对钢筋混凝土(RC)矩形空心桥墩基于性能抗震设计所需要的性能量化参数和抗震性能问题,该文对高宽比、轴压比、纵向和横向配筋率不同的12个约束良好的RC矩形空心桥墩,开展了恒定轴力作用下的水平循环荷载试验研究,并把试验观测到的桥墩主要损伤状态与工程设计参数联系起来,以满足基于性能抗震设计所需要的量化指标。在此基础上,基于OpenSees软件平台,采用纤维模型对试件体桥墩的滞回性能进行数值模拟,模拟结果与试验数据吻合良好。结果表明:使用累积概率曲线,可以较好地把混凝土开裂和剥落等主要损伤状态与混凝土压应变和纵向钢筋拉应变等工程极限状态联系起来,为基于性能的桥梁抗震设计提供量化指标。试件体桥墩的延性系数在3.71~8.29,等效粘滞阻尼比在0.19~0.31,延性系数和耗能指标均满足结构抗震设计要求。该横向配筋构型的RC矩形空心桥墩,可以作为当前我国公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)矩形空心截面横向配筋构型的一种补充。     

分段SFC预制壳壁抗震加固RC墩柱的效能研究

针对国内外强震作用下钢筋混凝土桥梁RC桥墩震损普遍存在的问题,在消化和吸收国内外已有RC墩柱抗震加固成果的基础上,研制开发一种了新型RC墩柱抗震加固措施-RC墩柱塑性铰区域外包分段钢纤维混凝土(Steel Fiber Concrete,SFC)预制壳壁,选取实际桥梁中的RC桥墩为原型,通过加固前后模型RC桥墩伪静力对比试验研究,校验这种新型RC墩柱抗震加固措施的有效性,试验结果表明新型RC墩柱抗震加固措施能在不改变RC桥墩塑性铰位置的前提下实现承载力和耗能能力的提高。此外,选取不同场地条件下的典型地震动,进行实验RC墩柱加固前后的非线性地震时程反应对比分析,进一步验证新型抗震加固措施的加固效能。     

钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土圆形短柱偏压性能研究

通过9根加固钢筋混凝土圆形短柱(8根钢管自密实混凝土复合加固柱,1根扩大截面加固柱)和1根钢筋混凝土原柱的偏心受压试验,对不同方法加固钢筋混凝土圆形短柱的承载力、刚度和延性进行研究,分析偏心距、钢管壁厚和自密实混凝土强度对复合加固短柱偏压性能的影响。试验结果表明:复合加固短柱的承载力与延性均优于扩大截面加固柱;减小偏心距或增加钢管壁厚均能显著提高复合加固柱的承载力与延性;改变自密实混凝土强度,复合加固柱承载力与延性变化不明显。在确定钢材与新旧混凝土本构关系的基础上,利用纤维模型法对复合加固短柱偏压性能进行参数分析。研究结果表明:增加钢管壁厚或提高屈服强度,N/N_u-M/M_u相关曲线往内收拢;增大外扩截面直径或提高自密实混凝土强度,N/N_u-M/M_u相关曲线往外凸出。     

外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土圆柱轴压受力分析

提出了外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土柱的新型复合加固方法。对9根复合加固钢筋混凝土圆短柱进行了轴心受压试验,根据试验中测得的钢管和钢筋应变结果,采用内力分解法分析了外套钢管、核心混凝土和钢筋的应力变化和三者之间的相互作用。分析结果表明:加载方式对外套钢管的横向变形影响较大,约束型加载方式外套钢管屈服时的横向应力大于钢管和核心混凝土共同承压加载方式;核心混凝土的抗压强度提高系数和不同材料承担轴力的比例与加载方式、外套钢管厚度、后浇自密实混凝土强度和界面处理方式有关。     

A nonlinear CDM model for ductile failure analysis of steel bridge columns under cyclic loading

A nonlinear cyclic plasticity damage model for ductile metals, which is able to take large deformation effects into consideration, has been developed using a new damage dissipation potential formulation in order to predict the cyclic inelastic behavior of steel bridge piers. The cyclic constitutive equations that employ the combined isotropic–kinematic hardening rule for plastic deformation is incorporated into the damage mechanics in conjunction with the large strain formulation. The damage growth law is based on the experimental observations that the evolution of microvoids results in nonlinear damage accumulation with plastic deformation. The damage model parameters and the procedure for their identification are presented. The proposed model has been validated and successfully applied to thin-walled steel bridge tubular columns subjected to alternating lateral displacements to evaluate the seismic performance.     

外包钢管加固RC柱抗冲击试验研究

为改善结构柱抗冲击性能,设计了RC柱和外包钢管加固RC柱在不同轴压比下的抗冲击试验,比较了两种类型柱抗冲击性能差异。试验通过DHR-9401落锤式冲击实验机进行,运用力传感器、高速摄影机和应变片完整记录了冲击力时程曲线、轴力时程曲线、跨中挠度时程曲线和试件特定位置的应变时程曲线。同时运用三种通用动力非线性有限元软件MSC.Marc、ABAQUS和ANSYS/LS-DYNA对冲击试验进行了数值模拟。研究结果表明外包钢管加固RC柱抗冲击性能要明显强于RC柱,证明外包钢管加固RC柱是一种可行的抗冲击加固措施。ABAQUS建立的有限元模型和试验结果吻合最好,MSC.Marc次之,ANSYS/LS-DYNA稍差。但ANSYS/LS-DYNA可较好的模拟RC柱冲击破坏全过程,其他两种软件则较难实现。研究结果可为大型铁路站房抗脱轨列车撞击提供加固措施,并为选取适合的有限元软件进行抗冲击分析提供参考。     

Compressive behavior of large-scale square reinforced concrete columns confined with carbon fiber reinforced polymer jackets

Several experimental and analytical studies on the confinement effect and failure mechanisms of fiber reinforced polymer (FRP) wrapped columns have been conducted over recent years. Although typical axial members are large-scale square/rectangular reinforced concrete (RC) columns in practice, the majority of such studies have concentrated on the behavior of small-scale circular concrete specimens. The data available for square/rectangular columns are still limited. This paper reports the results of an experimental research program on the performance of large-scale square RC columns wrapped with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets. Attention is focused on the investigation of the total effect of longitudinal and transverse reinforcement and FRP jackets on the behavior of concentrically loaded columns. A total of 20 large-scale RC columns were fabricated and tested to failure under axial loading in the structural laboratory. Three types of columns were primarily considered: unwrapped; fully wrapped; and partially wrapped. Based on the test results of RC columns, existing experimental data and procedures in the literature are also evaluated. Furthermore, stress–strain curves of the columns are successfully predicted by the analytical approach previously proposed for FRP-confined concrete.     

外套整体式加固砌体结构抗震性能试验研究

通过对一栋足尺5层砌体结构住宅模型实施外套整体式加固,梳理、总结该加固方法的工艺流程.为了考察加固结构在纵墙方向的整体抗震性能,对试验模型进行了多轮次拟静力和拟动力试验.依据试验结果对外套加固结构震前、震后纵墙方向的抗震性能进行了评估.试验及评估结果显示:加固后的钢筋混凝土剪力墙-砌体墙混合结构的抗侧刚度明显提升,抗震...