钢筋混凝土柱在地震载荷作用下的损伤模拟文献综述

 2022-10-24 10:10

文献综述(或调研报告):

长期以来,对于地震后房屋建筑的安全鉴定,虽然各个国家的标准不同,但都是采用目测的方法。即:安全鉴定员前往现场对结构的震损程度进行考察,根据鉴定人员的经验给予结论。但也有其缺点:鉴定结果往往主观性较强,与鉴定人员的经验、工作背景有关,结果也常常因人而异。除此之外,灾区现场受到地震损害后,环境复杂,交通不便,鉴定人员往往无法第一时间到达现场,这对救援工作的开展是非常不利的。因此,有必要对结构的损害程度进行理论模型的研究。

  1. 混凝土柱的破坏模式

在地震作用下,钢筋混凝土柱由于承受不住地震带来的反复荷载容易发生损坏,其破坏形式主要有以下三种:弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏。

  1. 弯曲破坏

弯曲破坏主要发生在柱剪跨比较大、轴压比较小且配筋合理的情况。这种情况受弯承载力起控制作用。受拉纵向钢筋首先屈服,在经历较大的塑性变形后,柱子的混凝土达到极限压应变,与受弯承载力对应的水平力始终小于抗剪承载力。主要破坏形态为:柱端塑性铰区水平弯曲裂缝密布,纵筋屈服形成塑性铰,最终破坏时混凝土明显压溃,整个过程吸收较大的地震能量,属于延性破坏。

  1. 弯剪破坏

钢筋混凝土柱地震破坏方式及性能研究剪切破坏是柱抗震设计中要避免的破坏方式,弯剪破坏介于弯曲破坏和剪切破坏之间。由于多种客观条件的限制,实际设计中不能完全避免剪切破坏的发生,所以设计中应严格控制结构的变形能力。弯剪破坏的特征是:随着变形增大,柱子纵筋首先屈服,柱端出现塑性铰,由于剪切斜裂缝的发展使混凝土有效抗剪面积减小,骨料咬合力降低,柱子经历一段塑性变形后受剪承载力随变形的增大而减小。随着变形的继续增大,塑性铰区箍筋屈服,柱子发生剪切破坏,此时受压边缘混凝土未达到极限压应变。破坏过程主要包括纵筋屈服,混凝土保护层剥落,钢筋外露,箍筋屈服,纵筋压曲。弯剪破坏前,构件呈现比较稳定的弯曲响应,表现出一定的延性和耗能能力[1]

  1. 剪切破坏

剪切破坏主要发生在柱抗剪强度较小、剪跨比较小和轴压比相对较大的情况,这种情况下剪力起控制作用,柱的变形以剪力变形为主。主要破坏形态为:混凝土出现明显剪切滑移斜裂缝后迅速发生脆性剪切破坏,破坏发生在纵向钢筋屈服前且具有明显的脆性,延性及耗能能力很差。

如何正确把握钢筋混凝土柱在地震作用下的开裂模式,对增强建筑物的抗震性能有着积极意义。张勤,贡金鑫等[2]为准确评估钢筋混凝土柱的抗震性能,根据钢筋混凝土柱的受力特点,提出一种简化的荷载-变形曲线和卸载刚度计算方法,即首先按传统的弯曲截面分析和塑性铰模型确定柱的荷载-弯曲变形曲线,再通过对钢筋混凝土柱试验结果的统计分析,给出考虑柱剪切和纵筋滑移变形综合影响的修正系数,进而得到柱荷载-变形的全曲线。

  1. 损伤模型

损伤指数模型可以定量描述结构或构件的震后破坏程度,量化性能目标,为受损结构或构件的安全评估和修复加固提供重要的理论依据。由于损伤指标对于结构抗震设计的重要作用,对其研究一直在不断发展和完善,由材料层次的损伤模型,发展到构件层次的损伤模型,到现在的结构层次的损伤模型。采取不同损伤模型计算得到的损伤指标差异较大,损伤曲线发展趋势亦不同;基于能量的损伤模型多表现出前期增长速度快和后期增长速度慢的上凸趋势,而基于变形和能量组合形式的双参数损伤模型多表现出前期增长速度慢和后期增长速度快的上凹趋势[3]

建立在构件层次上的累积损伤模型分为单参数模型和双参数模型,单参数模型又分变形破坏准则和能量破坏准则;双参数模型依据变形和能量的双重破坏准则。Mehanny 和 Deierlein[4]将损伤模型分为五大类:基于变形的损伤模型、基于刚度的损伤模型、基于能量的损伤模型、基于能量变形的损伤模型和基于低周疲劳的损伤模型。以下就其中几类进行论述。

  1. 基于能量的损伤模型

早在1977年Gosain等[5]就提出了以能量为考虑因素的损伤模型。并根据这个模型提出了构件在反向荷载作用下的抗剪设计要求。

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