钢筋混凝土框架柱倒塌失效模式与位移退让式抗倒塌阻挡结构试验研究

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钢筋混凝土(RC)框架柱在强地震作用下的倒塌机理及其倒塌模式研究是建筑结构抗倒塌研究的热点之一。本文根据现有研究成果及RC框架柱震害资料从结构抗倒塌角度总结归纳了RC框架柱可能出现的五种倒塌失效模式:模式a、b、c、d及e。其中模式a:柱底纵筋断裂或粘结失效造成整体倾覆破坏。模式b:柱底截面两端剪压裂缝不断向截面中性轴不断“侵蚀”,造成柱体发生竖向压溃。c:剪拉裂缝与剪压裂缝在柱底截面贯通,造成由弯剪破坏引起的倒塌失效。d:剪拉裂缝在剪压裂缝产生前发展至截面受压区边缘,造成柱体发生整体剪拉失效。模式e:剪压裂缝将柱体斜向劈裂造成的斜压破坏失效。其中模式a与e分别多发生于钢筋配置不良的框架柱、轴压比很大的短柱中,不符合RC框架柱,尤其是底层RC框架柱的抗震设计规范。为进一步区分其余三种常见的倒塌失效模式,本文利用拉断的Mohr-Coulomb破坏准则,结合RC框架柱在压剪作用下的应力分布规律,通过轴压比、高宽比(剪跨比)为影响参数对此三种倒塌失效模式的发生条件及范围进行了划分,并通过文献试验试件验证了上述三种倒塌失效模式。随着计算机技术的快速发展,数值模拟分析是结构试验分析的有益补充。为了进一步验证前述总结的RC框架柱的倒塌失效模式,本文通过Ansys有限元模拟软件,建立了六个具有不同轴压比及高宽比的RC框架柱有限元模型,利用单元“生死”技术与重启动分析手段分析了不同工况下RC框架柱端的剪压失效区与剪拉裂缝区的发展情况,研究得出六个有限元模型的柱端破坏形态与与理论得出的三种倒塌失效模式符合良好,并进一步得知延性最佳的为倒塌失效模式b。在实际的RC框架结构抗倒塌设计中,为防止RC框架结构柱出现上述的倒塌失效,本文设计并制作了一种位移退让式框架抗倒塌阻挡结构,为框架柱在地震力作用下提供一定的侧向及竖向支撑。通过由两个足尺装配式RC框架组成的对比试验,综合分析了无或有此阻挡结构的框架的各方面抗震性能。研究得出位移退让式抗倒塌阻挡结构可较好的在结构进入屈服状态前后抑制裂缝的进一步发展,减小框架的侧移。从结构的滞回曲线和骨架曲线可看出阻挡结构能更好地使结构承受有更大的地震力,从刚度退化曲线可看出当阻挡结构进入工作可使整体结构的刚度增大,从钢筋的力-应变曲线中可看出阻挡结构可使柱端纵筋的应变增加幅度减缓,即可以让本集中在柱端地地震能量“分担”给柱体其它区域,从而可有效防止柱端过早进入倒塌失效状态。
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