陸婷婷， 梁興文

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

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高強(qiáng)鋼筋高延性纖維增強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制和抗震性能①

陸婷婷， 梁興文

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

摘要:為了對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)的地震破壞機(jī)制和抗震性能進(jìn)行控制,在框架柱中配置高強(qiáng)鋼筋,并將纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)用于框架結(jié)構(gòu)的預(yù)期損傷部位。結(jié)構(gòu)柱中的高強(qiáng)鋼筋用來(lái)減小結(jié)構(gòu)的殘余變形,FRC材料用來(lái)增加結(jié)構(gòu)的耗能能力和損傷容限。設(shè)計(jì)了三個(gè)框架,采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明,采用高強(qiáng)鋼筋提高了結(jié)構(gòu)的整體承載能力,在層間側(cè)移角達(dá)到3%之前避免了柱鉸的出現(xiàn)(包括底層柱底),并且減小了結(jié)構(gòu)的殘余變形;預(yù)期損傷部位采用FRC材料能夠提高結(jié)構(gòu)的塑性耗能。

關(guān)鍵詞:框架結(jié)構(gòu); 纖維增強(qiáng)混凝土; 高強(qiáng)鋼筋; 屈服機(jī)制; 抗震性能; 時(shí)程分析

0引言

建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)遭遇罕遇地震的概率很小,因此我國(guó)抗震規(guī)范[1]采用“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。同樣在國(guó)外,工程師基于安全與經(jīng)濟(jì)的考慮,也是基于保證“生命安全”設(shè)防目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這就意味著所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展,人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)性能的要求提高,不僅應(yīng)保證“生命安全”和“不倒塌”,而且也期望結(jié)構(gòu)的低損傷,以減少維修成本。但大量的大震表明[2-4],傳統(tǒng)的建筑材料——普通鋼筋混凝土已經(jīng)很難達(dá)到低損傷要求,因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者及設(shè)計(jì)人員都致力于研究損傷控制的方法和技術(shù)。

美國(guó)加州大學(xué)教授Priestley和新西蘭坎特伯雷大學(xué)教授Pampanin研究的PRESSS(Precast Seismic Structural Systems)體系[5-7],使用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力預(yù)制構(gòu)件加阻尼器技術(shù)。這種體系在地震過(guò)程中通過(guò)梁柱節(jié)點(diǎn)的阻尼器耗能,而主體結(jié)構(gòu)——框架結(jié)構(gòu)的梁柱幾乎沒(méi)有損傷或者是低損傷,只需更換阻尼器即可繼續(xù)使用,滿足了低損傷、可更換、維修成本低等性能要求,這種技術(shù)已在美國(guó)、新西蘭、歐洲等不同的地震區(qū)域得到應(yīng)用。蔡小寧等[8]提出一種新型的自復(fù)位預(yù)應(yīng)力預(yù)制節(jié)點(diǎn)形式PTED節(jié)點(diǎn),試驗(yàn)結(jié)果表明:節(jié)點(diǎn)殘余變形較小,PTED 節(jié)點(diǎn)具有良好的自復(fù)位能力,提高了震后結(jié)構(gòu)的可修復(fù)性。吳浩等[9]對(duì)無(wú)粘結(jié)后張拉預(yù)制剪力墻進(jìn)行了模擬,分析顯示使用高強(qiáng)鋼筋后這種結(jié)構(gòu)可以經(jīng)歷大位移而殘余變形小,具有可恢復(fù)功能性。葉列平等[10]對(duì)一榀采用普通鋼筋和高強(qiáng)鋼筋的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析,結(jié)果表明,在現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)柱中采用高強(qiáng)鋼筋也能提高框架的抗震性能,避免底層柱底過(guò)早出現(xiàn)塑性鉸,使結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的屈服機(jī)制,減小柱底損傷,易于震后修復(fù)。

纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)具有拉伸強(qiáng)化和多裂縫開(kāi)展特性,因此表現(xiàn)出良好的塑性變形能力(控制損傷程度能力)及耗能能力,殘余變形小。將FRC用于混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位(塑性鉸區(qū))可以提高塑性鉸區(qū)的變形能力和受剪承載力,并且能夠很好地控制塑性鉸區(qū)損傷程度和裂縫的發(fā)展[11-12]。Yoon和Billington等[13]對(duì)采用高強(qiáng)鋼筋連接、預(yù)期塑性鉸區(qū)采用纖維增強(qiáng)混凝土的預(yù)制柱做了滯回試驗(yàn)分析,結(jié)果顯示纖維增強(qiáng)混凝土的耗能能力高于普通混凝土,在受拉荷載下的整體性?xún)?yōu)于混凝土,認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)在提高震區(qū)結(jié)構(gòu)的損傷容限方面有進(jìn)一步的研究?jī)r(jià)值。廖維張等[14]采用鋼絞線和纖維混凝土對(duì)普通鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固,加固后的梁抗沖擊性能、延性和整體性都得到提高。

本文將框架結(jié)構(gòu)的預(yù)期損傷部位采用FRC材料,并將框架柱的普通鋼筋換成高強(qiáng)鋼筋,通過(guò)研究其屈服機(jī)制及損傷程度來(lái)評(píng)價(jià)其抗震性能。

1分析模型

1.1材料的本構(gòu)關(guān)系

(1) 混凝土塑性損傷模型

混凝土本構(gòu)采用ABAQUS軟件提供的混凝土損傷模型。在受拉時(shí)認(rèn)為混凝土在達(dá)到抗拉峰值時(shí)才開(kāi)裂,即混凝土達(dá)到受拉峰值前處于彈性階段,如圖1所示。參考文獻(xiàn)[14],受拉損傷恢復(fù)因子(Tension Recovery)wt=0;受壓損傷恢復(fù)因子(Compression Recovery)wc=1。

(2) FRC單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

FRC的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用文獻(xiàn)[15]提出的用于結(jié)構(gòu)非線性分析的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,即

(1)

x=ε/εu, y=σc/fc

A1=(0.023 4+0.157 7Vf)×

式中:A表示系數(shù),取1.101,與峰值應(yīng)力和彈性極限應(yīng)力比有關(guān);fc、εu分別為FRC軸心抗壓強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變;Vf表示纖維體積摻量百分率。

圖1　混凝土損傷模型Fig.1　The damage model for concrete

(3) FRC單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

FRC在單軸拉伸荷載下具有應(yīng)變硬化和多裂縫開(kāi)展特性。文獻(xiàn)[16]基于細(xì)觀力學(xué)原理,考慮纖維、基體及纖維/基體界面的力學(xué)性能,建立了FRC在單軸拉伸作用下應(yīng)力與裂縫開(kāi)口的關(guān)系。文獻(xiàn)[17]以上述研究為基礎(chǔ),提出了FRC單軸拉伸作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式,即

(2)

σi=σss(1-Eie/Ec)

(3)

(4)

式中:σss為穩(wěn)定開(kāi)裂應(yīng)力;σtu為極限抗拉強(qiáng)度;Ec為彈性模量;Eie為應(yīng)變硬化模量。

1.2框架結(jié)構(gòu)分析模型

按現(xiàn)行規(guī)范[1]設(shè)計(jì)的一幢6層框架結(jié)構(gòu)宿舍樓,抗震設(shè)防烈度Ⅶ(0.15g)度,Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)。取出其中一榀橫向框架進(jìn)行分析?？紤]樓板對(duì)梁承載力的加強(qiáng)作用,分析中采用T形截面梁(250 mm ×600 mm),梁一側(cè)翼緣寬度取6倍的板厚,板的配筋僅考慮重力荷載作用。結(jié)構(gòu)分析采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模,采用混凝土塑性損傷模型。鋼筋采用雙線性強(qiáng)化彈塑性模型。單元?jiǎng)澐?節(jié)點(diǎn)核心區(qū)100 mm,其他300 mm。采用三個(gè)模型進(jìn)行分析,一個(gè)是對(duì)原鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,后文稱(chēng)為RC框架結(jié)構(gòu);第二個(gè)是將柱的縱筋按等截面原則[10]換成高強(qiáng)鋼絞線,梁的鋼筋則仍然為普通鋼筋,梁、柱均采用普通混凝土,后文稱(chēng)為RC-UHS框架結(jié)構(gòu);第三個(gè)是將柱的縱筋按等截面原則換成高強(qiáng)鋼絞線,梁的鋼筋則仍然為普通鋼筋,并對(duì)梁、柱端及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及底層柱下端采用FRC、其余部位采用普通混凝土的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,梁、柱端FRC區(qū)高度分別取1倍梁、柱截面高度,后文稱(chēng)為FRC-UHS框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)幾何尺寸如圖2所示,鋼筋材料、混凝土和FRC力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2,各構(gòu)件配筋見(jiàn)表3。

圖2　結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)(單位:mm)Fig.2　Geometric parameters of the structure (Unit:mm)

鋼筋型號(hào)fy/MPa峰值拉應(yīng)變?chǔ)舤極限拉應(yīng)變?chǔ)舤uHRB4004320.00200.01鋼絞線18600.0093-

分別對(duì)三個(gè)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。輸入3-1602 Duzce和Turkey地震波,分別按照0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g及0.8g進(jìn)行調(diào)幅,以比較結(jié)構(gòu)在不同地震強(qiáng)度下的屈服機(jī)制、動(dòng)力響應(yīng)、損傷狀況和結(jié)構(gòu)性能。

表2　混凝土和FRC力學(xué)參數(shù)

表3　鋼筋配筋面積總表

2結(jié)果分析

2.1損傷控制截面狀態(tài)和屈服機(jī)制

圖3～5分別列出了地震波3-1602 Duzce作用下,地震波峰值強(qiáng)度從0.4g增加到0.7g過(guò)程中三個(gè)框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布情況。表4列出了三個(gè)框架結(jié)構(gòu)在最大層間側(cè)移角約為1/100,1/50,1/30時(shí)對(duì)應(yīng)的不同強(qiáng)度地震作用下部分梁柱端控制截面處的鋼筋最大應(yīng)變值。可以看出,RC框架結(jié)構(gòu)在地震波峰值強(qiáng)度為0.4g時(shí),側(cè)移角為0.007,在出現(xiàn)梁鉸的同時(shí)底層柱底鋼筋也產(chǎn)生了屈服[圖3(a)]。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ逯祻?qiáng)度達(dá)到0.6g時(shí),最大層間側(cè)移角達(dá)到0.02,框架結(jié)構(gòu)首層、二層、三層、四層的梁端均已屈服形成塑性鉸,最大應(yīng)變達(dá)到0.011 1,并且二層柱上、下端均形成鉸,成為薄弱層,底層柱底鋼筋最大應(yīng)變?yōu)?.014 0。地震波峰值達(dá)到0.7g時(shí),RC框架結(jié)構(gòu)的底部三層均成為薄弱層,柱底鋼筋最大拉伸應(yīng)變達(dá)到0.020 3。

RC-UHS框架結(jié)構(gòu)在地震波峰值強(qiáng)度小于0.6g時(shí),梁端出現(xiàn)塑性鉸的順序和數(shù)量與RC框架結(jié)構(gòu)相近,且各梁鉸鋼筋應(yīng)變也接近,例如0.4g時(shí)最大梁鉸鋼筋應(yīng)變?yōu)?.002 7,位置與RC框架結(jié)構(gòu)相同。但是RC-UHS框架結(jié)構(gòu)的底層柱底鋼筋在地震峰值加速度達(dá)到0.7g、最大層間側(cè)移角達(dá)到0.03左右時(shí)才發(fā)生屈服,出現(xiàn)柱鉸,其他層柱端均沒(méi)有出現(xiàn)塑性鉸[圖4(d)]。

圖3　RC框架屈服機(jī)制示意圖Fig.3　Yield mechanism of RC frame

圖4　RC-UHS框架屈服機(jī)制示意圖Fig.4　Yield mechanism of RC-UHS frame

圖5　FRC-UHS框架屈服機(jī)制示意圖Fig.5　Yield mechanism of FRC-UHS frame

FRC-UHS結(jié)構(gòu)從屈服機(jī)制的角度上看同RC-UHS結(jié)構(gòu)相近(圖5),均是從梁端開(kāi)始屈服,形成塑性鉸,出鉸順序相近,其他層柱端不出鉸,而是在最大層間側(cè)移角達(dá)到0.03時(shí)底層柱底才出現(xiàn)屈服,且FRC-UHS框架結(jié)構(gòu)各梁端塑性鉸處的最大應(yīng)變與RC-UHS結(jié)構(gòu)不同。

2.2位移響應(yīng)

(1) 樓層最大位移

圖6為三個(gè)框架結(jié)構(gòu)在地震波峰值強(qiáng)度從0.2g增加到0.8g過(guò)程中,所得樓層位移以及層間側(cè)移角的分布情況。從圖6(a)、(b)中可以看出,結(jié)構(gòu)的最大層間側(cè)移角均出現(xiàn)在第二層。初始地震波峰值加速度為0.2g時(shí),RC結(jié)構(gòu)和RC-UHS結(jié)構(gòu)的最大層間側(cè)移角為0.001,頂點(diǎn)最大位移為0.020 m;FRC-UHS結(jié)構(gòu)的最大層間側(cè)移角為0.002,頂點(diǎn)最大位移為0.030 m,此時(shí)結(jié)構(gòu)處于彈性階段。結(jié)構(gòu)的側(cè)移與結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān),FRC-UHS結(jié)構(gòu)局部使用了彈性模量小于普通混凝土的FRC材料,整體結(jié)構(gòu)的剛度略微小于RC結(jié)構(gòu),所以此時(shí)FRC-UHS結(jié)構(gòu)的最大層間側(cè)移角以及最大樓層位移大于RC結(jié)構(gòu)和RC-UHS結(jié)構(gòu)。隨著地震波峰值加速度的增大,RC-UHS框架結(jié)構(gòu)的變形特性與RC結(jié)構(gòu)相近,但是RC-UHS框架結(jié)構(gòu)的整體性逐漸呈現(xiàn)出來(lái),在最大層間側(cè)移角相同的情況下,RC-UHS的頂點(diǎn)最大位移大于RC結(jié)構(gòu)。從圖6(c)中可以看出,當(dāng)層間側(cè)移角大于0.015后,對(duì)于達(dá)到相同的頂點(diǎn)位移所表現(xiàn)的最大層間側(cè)移角,RC框架結(jié)構(gòu)>RC-UHS框架結(jié)構(gòu)>FRC-UHS框架結(jié)構(gòu)。到0.7g時(shí),RC框架結(jié)構(gòu)第一、二、三層出現(xiàn)薄弱層,結(jié)構(gòu)變形不在控制范圍內(nèi),但是RC-UHS和FRC-UHS框架結(jié)構(gòu)只形成梁鉸,變形仍在可控制的范圍內(nèi)。

表4　框架控制截面鋼筋最大拉伸應(yīng)變

(2) 殘余變形

圖6　樓層變形圖Fig.6　Deformation at each floor

高強(qiáng)鋼筋的彈性恢復(fù)特性可減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。圖7為3-1602 Duzce地震波峰值強(qiáng)度0.3g、0.6g、0.7g及0.8g時(shí),三個(gè)框架結(jié)構(gòu)樓層殘余變形的分布情況。地震波強(qiáng)度為0.3g時(shí)[圖7(a)],RC-UHS框架結(jié)構(gòu)的殘余變形與RC框架結(jié)構(gòu)相差不多,RC-UHS結(jié)構(gòu)的最大殘余變形為0.009 m,RC結(jié)構(gòu)為0.010 m;而FRC-UHS結(jié)構(gòu)的最大殘余變形為0.018 m,殘余變形大于前兩個(gè)結(jié)構(gòu)。隨著峰值強(qiáng)度增加到0.6g[圖7(b)],RC-UHS結(jié)構(gòu)的最大殘余變形為0.019 m,RC結(jié)構(gòu)的為0.034 m。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ逯祻?qiáng)度達(dá)到0.07g時(shí)[圖7(c)],RC結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)殘余變形達(dá)到0.072 m,明顯大于RC-UHS和FRC-UHS結(jié)構(gòu)。而當(dāng)?shù)卣鸩ǚ逯祻?qiáng)度到0.8g時(shí)[圖7(d)],RC-UHS和FRC-UHS結(jié)構(gòu)的最大層間側(cè)移角達(dá)到0.048,兩個(gè)框架結(jié)構(gòu)的殘余變形趨于相近。圖7(e)為最大殘余變形與最大層間側(cè)移角的關(guān)系曲線。當(dāng)最大層間位移角小于0.03時(shí),FRC-UHS框架結(jié)構(gòu)的殘余變形大于RC和RC-UHS框架結(jié)構(gòu)。RC框架結(jié)構(gòu)的混凝土開(kāi)裂,截面受拉區(qū)的拉力完全由鋼筋承擔(dān),結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定的變形階段,因此裂縫的閉合只需要對(duì)鋼筋的受力卸載。而 FRC材料開(kāi)裂后,由于纖維的橋聯(lián)作用,只是形成了微裂縫,裂縫的閉合需要克服FRC和鋼筋共同的受力,應(yīng)力-應(yīng)變曲線中表現(xiàn)為應(yīng)力持續(xù)、應(yīng)變?cè)黾?因此在此階段FRC-UHS框架結(jié)構(gòu)的殘余變形相較前兩個(gè)結(jié)構(gòu)較大。對(duì)于RC結(jié)構(gòu),當(dāng)層間側(cè)移角達(dá)到約0.02時(shí),殘余變形迅速增加。RC-UHS結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)柱沒(méi)有出現(xiàn)屈服,其整體性?xún)?yōu)于RC結(jié)構(gòu),其殘余變形仍在可控的范圍,而FRC-UHS結(jié)構(gòu)大約在側(cè)移角為0.015時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定的變形階段,層間側(cè)移角達(dá)到0.03時(shí)FRC-UHS結(jié)構(gòu)的殘余變形開(kāi)始小于RC結(jié)構(gòu)。隨著柱底鋼筋屈服,RC-UHS結(jié)構(gòu)和FRC-UHS結(jié)構(gòu)的殘余變形則趨于相近。

圖7　殘余變形圖Fig.7　Residual deformation

2.3耗散能量

對(duì)于同一地震波而言,對(duì)結(jié)構(gòu)輸入的能量是恒定不變的。在ABAQUS軟件中,能量守恒公式為:

Eu+Ek+Ef-Ew-Eqb=const

式中:Ek為動(dòng)能;Ef為模型接觸摩擦耗能;Ew為外部荷載作功;Eqb為周邊媒介阻尼耗能;Eu為內(nèi)能:Eu=Ei+Ev,Ei=Es+Ep+Ec;Ev為阻尼耗能,包括黏滯阻尼和材料阻尼;Ei為剩下的內(nèi)能,包括彈性應(yīng)變能Es、塑性能Ep以及時(shí)間相關(guān)量耗能Ec。

工程中經(jīng)常關(guān)注的能量有外部荷載做的功、彈性應(yīng)變能、動(dòng)能、塑性耗能、阻尼耗能等。圖8列出了3-1602 Duzce地震波峰值為0.7g時(shí),RC、RC-UHS以及FRC-UHS結(jié)構(gòu)的各耗能狀況。

從圖8中可以看出,外部輸入的能量相同時(shí),三個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)能耗能[圖8(b)]相近。在阻尼耗能方面[圖8(c)],RC和RC-UHS框架結(jié)構(gòu)相近,相差0.6%左右,比FRC-UHS框架結(jié)構(gòu)的阻尼耗能大了18.5%。在內(nèi)能耗能(Ei)方面[圖8(d)],FRC-UHS結(jié)構(gòu)的內(nèi)能耗能是RC結(jié)構(gòu)的1.12倍,是RC-UHS結(jié)構(gòu)的約1.11倍。其中彈性耗能方面[圖8(e)],RC-UHS和FRC-UHS結(jié)構(gòu)由于柱中配有高強(qiáng)鋼筋,在地震波峰值加速度達(dá)到0.7g時(shí)才在柱底出現(xiàn)屈服,其他層柱縱筋都在彈性范圍內(nèi),因此RC-UHS結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變能力在地震波后面階段比RC結(jié)構(gòu)的彈性耗能大,約在47.7%,而FRC-UHS結(jié)構(gòu)由于配有FRC材料,其彈性應(yīng)變耗能比RC-UHS結(jié)構(gòu)小1%。在塑性耗能方面[圖8(f)],FRC-UHS結(jié)構(gòu)是RC結(jié)構(gòu)的1.18倍,是RC-UHS結(jié)構(gòu)的1.29倍,而RC結(jié)構(gòu)由于柱端鋼筋產(chǎn)生屈服,因此其塑性耗能比RC-UHS框架結(jié)構(gòu)高。在混凝土產(chǎn)生裂縫后,RC結(jié)構(gòu)和RC-UHS結(jié)構(gòu)的鋼筋屈服集中在裂縫處,而在FRC-UHS結(jié)構(gòu)中,由于微裂縫的作用,可以有效地使梁端更廣區(qū)域的鋼筋產(chǎn)生屈服來(lái)進(jìn)行耗能。而RC結(jié)構(gòu)的塑性耗能略高于RC-UHS結(jié)構(gòu),這是由于RC結(jié)構(gòu)的柱端也產(chǎn)生屈服,對(duì)塑性耗能有貢獻(xiàn)。

圖8　能量耗散曲線圖Fig.8　Energy dissipation curves

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)采用高強(qiáng)鋼筋以及具有較好延性和應(yīng)變硬化能力的FRC材料框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析,得出以下結(jié)論:

(1) 框架結(jié)構(gòu)柱采用高強(qiáng)鋼筋可以明顯推遲柱鉸的出現(xiàn),提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能,有利于框架結(jié)構(gòu)形成“強(qiáng)柱弱梁”和梁鉸屈服機(jī)制。

(2) 高強(qiáng)鋼筋較普通鋼筋能明顯減小整體結(jié)構(gòu)的最大殘余變形,FRC材料在層間側(cè)移角達(dá)到一定程度后對(duì)整體結(jié)構(gòu)的殘余變形也起到一定的控制作用。當(dāng)柱底鋼筋屈服后,RC-UHS和FRC-UHS框架結(jié)構(gòu)的殘余變形趨于相近。

(3) 由于FRC材料具有良好的延性、耗能能力以及多條細(xì)微裂縫開(kāi)展性能,可以使更大區(qū)域的鋼筋產(chǎn)生屈服來(lái)耗能,使FRC-UHS框架結(jié)構(gòu)的塑性耗能能力增強(qiáng),從而能夠改善RC-UHS框架結(jié)構(gòu)的滯回耗能性能。

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Yielding Mechanism and Seismic Performance of Frame Structure with High-strength Bars and High-ductile Fiber-reinforced Concrete

LU Ting-ting, LIANG Xing-wen

(CollegeofCivilEngineering,Xi’anUniversityofArchitecture&Technology,Xi’an710055,Shaanxi,China)

Abstract:To control the failure mechanism and seismic performance of reinforced concrete (RC) frame structures,our proposed system used ultra-high-strength (UHS) reinforcement in a column and had the option of using fiber-reinforced concrete (FRC) in a frame where damage is expected to occur.Disaster investigations revealed that reinforced concrete frame structures account for a high proportion of buildings destroyed.The use of UHS reinforcement was expected to result in only minimal residual deformations and a low degree of hysteretic energy dissipation.FRC was expected to facilitate hysteretic energy dissipation and increase the system's damage tolerance.Using nonlinear time history analysis,we investigated three frame structures using ABAQUS finite element software,a large universal finite element software widely used in the nonlinear analysis of RC structures.In particular,we used the concrete-damaged plasticity model,which is one of the most important concrete constitutive models in ABAQUS.Based on our analysis results,we discussed the seismic behavior of structures at different seismic intensities.To determine the seismic capacity of each structure,we selected the following parameters: maximum deformation,story drift,residual deformation,and energy dissipation.We found that the use of UHS reinforcement provided the system with relatively greater resistance against lateral seismic loads and resulted in less residual deformation while preventing the critical column from yielding until the drift reached 3%～4%.Thus,UHS frames should be used in columns designed for a "strong column-weak beam" failure mechanism.As the drift increased,differences in residual deformation between specimens decreased.These research results suggest that the proposed system may be promising for improving the damage tolerance of structures in seismic regions.

Key words:frame structure; fiber-reinforced concrete (FRC); high-strength bars; yielding mechanism; seismic performance; time-history analysis

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0166

中圖分類(lèi)號(hào):TU375.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1000-0844(2016)02-0166-10

作者簡(jiǎn)介:陸婷婷(1983-)，女，寧夏銀川人，博士生，從事建筑結(jié)構(gòu)及抗震性能研究。E-mail:lutingbstu@126.com。通信作者:梁興文(1952-)，男，陜西華縣人，教授，碩士，博導(dǎo)。E-mail:liangxingwen2000@163.com。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278402，51078305)

收稿日期:①2015-05-05