约束钢筋对钢筋混凝土框架结构抗震性能的改善效应

摘要

结构在地震作用下处于弹性状态的设计是不经济且不合理的，良好的设计应能确保结构构件具有足够的延性，并通过塑性变形消耗一部分地震能量。采用钢筋对核心混凝土进行约束以改善混凝土的变形性能，是提高混凝土构件延性的重要的手段。合理地配置约束钢筋以有效地发挥混凝土结构的延性性能，是结构抗震优化设计的重要课题。本文在总结前人研究约束混凝土的成果基础上，结合《钢筋混凝土框架抗震分析程序SARCF(SeismicAnalysis of Reinforced Concrete Frames)》的修订研究，利用SARCF损伤分析的功能，探讨构件约束条件的改变对整体框架抗震性能的影响，主要研究工作如下：
　　 1、根据所收集的有关约束混凝土的文献资料，修正SARCF程序中原有的混凝土模型，力求能反映出约束钢筋的数量、间距、强度及配置型式对于材料本构关系的改善效应。
　　 2、完善构件的弯矩-曲率骨架全曲线，根据应变协调理论和力的平衡原理，提出约束混凝土构件截面弯矩-曲率骨架全曲线的计算方法；参考约束混凝土梁柱的试验数据，利用SARCF程序计算构件的骨架曲线，与现有试验曲线进行比较，分析骨架曲线在约束钢筋影响下的变化规律。
　　 3、修订SARCF程序的恢复力模型，引进箍筋约束效应系数来考虑约束效应的影响。根据现有试验的滞回曲线，对其在荷载循环下滞回曲线中的强度下降值做出定量研究，找出配箍率变化与其对应关系，给出反映钢筋约束效应的承载力下降系数。
　　 4、利用修正后的SARCF程序分析框架实例的损伤指数，并选择代表性的构件对其配箍率做出不同改变。比较配箍率改变前后框架节点及构件损伤指数的变化，进而分析约束钢筋对于框架结构抗震性能的改善效应。
　　 经过研究工作，得到了以下结果：
　　 1、约束钢筋的数量、间距、强度及配置型式对混凝土的本构模型有直接的影响，采用新材料模型修正后的SARCF程序，能有效地对约束混凝土梁、柱构件进行弯矩一曲率骨架曲线的模拟。
　　 2、构件截面弯矩曲率骨架曲线的形式受轴压比和配箍率两种因素的控制，其中轴压比决定了曲率延性系数的性质。
　　 3、依据现有试验滞回曲线实测值对承载力下降系数进行校准，得到了反映钢筋约束效应的承载力下降系数。采用新系数的SARCF滞回模型，能较好地模拟约束混凝土梁、柱构件的滞回曲线。
　　 4、运用SARCF对框架结构损伤指数的模拟分析表明，约束钢筋对构件的改善效应与构件延性指数密切相关；提高底层柱的配箍率，可明显改善框架结构的地震损伤状况。