鋼筋混凝土構(gòu)件抗倒塌性能研究

1、鋼筋混凝土構(gòu)件抗倒塌性能研究北京工業(yè)大學(xué)博士開題報(bào)告目錄選題的背景和意義國內(nèi)外研究現(xiàn)狀研究內(nèi)容和方法課題的創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)度安排123451.選題的背景和意義倒塌是建筑結(jié)構(gòu)最為嚴(yán)重的破壞狀態(tài)，它因使結(jié)構(gòu)永久性喪失使用功能而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，深入研究強(qiáng)震作用下建筑結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)理，為結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)及倒塌控制提供理論參考，這對(duì)于保障建筑結(jié)構(gòu)及人民生命財(cái)產(chǎn)的安全有十分重要的意義。 理解倒塌的機(jī)理，分析倒塌的原因、研究有效提高結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的途徑和手段，始終是抗震研究的主要內(nèi)容。1.選題的背景和意義結(jié)構(gòu)倒塌 側(cè)向倒塌則是由于結(jié)構(gòu)側(cè)向塑性變形過大而引起的側(cè)向承載力喪失 豎向倒塌 是由于結(jié)構(gòu)中某一構(gòu)

2、件由于喪失承載能力退出工作，而引起的結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌結(jié)構(gòu)在地震作用下的倒塌過程可視為2類倒塌的相繼發(fā)生，即:在地震作用下，結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)較大的塑性變形，當(dāng)某一構(gòu)件的損傷過大，隨即退出工作，進(jìn)入結(jié)構(gòu)豎向倒塌過程側(cè)向倒塌作為結(jié)構(gòu)地震倒塌過程的第一階段，是預(yù)測(cè)和控制結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的關(guān)鍵1.選題的背景和意義混凝土結(jié)構(gòu)梁剪力墻框架柱 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的梁、柱、剪力墻等是組成結(jié)構(gòu)體系的主要構(gòu)件，因此，提高材料與構(gòu)件損傷破壞衡量的準(zhǔn)確性就成為準(zhǔn)確判別結(jié)構(gòu)側(cè)向倒塌的的重要前提與基礎(chǔ)。 本課題旨在對(duì)地震力作用下構(gòu)件破壞的全過程進(jìn)行研究，著重研究構(gòu)件的抗倒塌性能和破壞機(jī)理，建立基于倒塌破壞的恢復(fù)力模型，為判別結(jié)構(gòu)倒塌提供

3、理論支撐?？沟顾阅埽簭那絾适?cè)向承載力這一過程的性能為抗倒塌性能。2.1國內(nèi)外構(gòu)件抗震性能研究現(xiàn)狀一、研究內(nèi)容：1）上世紀(jì)90年代以前，重點(diǎn)在于探討鋼筋混凝土構(gòu)件的滯回特性、破壞模式、恢復(fù)力模型以及影響延性的各種因素，主要是剪跨比、軸壓比、配箍率、保護(hù)層厚度等；2）90年代以后，國內(nèi)外對(duì)混凝土構(gòu)件的研究主要集中在箍筋形式、高強(qiáng)混凝土、高強(qiáng)箍筋約束混凝土、不同加載方式、異形界面等方面，研究重點(diǎn)則放在驗(yàn)證規(guī)范規(guī)定的合理性方面。2.1國內(nèi)外結(jié)構(gòu)倒塌研究現(xiàn)狀31抗震試驗(yàn)方法和手段 低周反復(fù)加載試驗(yàn)動(dòng)力加載試驗(yàn)擬動(dòng)力試驗(yàn)22.1國內(nèi)外構(gòu)件抗震性能研究現(xiàn)狀1強(qiáng)度2剛度3滯回曲線形狀4骨架曲線5延性系

4、數(shù)6剛度退化率7能量耗散2.2國內(nèi)外恢復(fù)力模型研究現(xiàn)狀就鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言,恢復(fù)力模型的研究可以分為兩個(gè)層次:第一層次是材料的恢復(fù)力模型,主要用于描述鋼筋及混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變滯回關(guān)系,它是鋼筋混凝土構(gòu)件恢復(fù)力模型計(jì)算的基礎(chǔ);第二層次是構(gòu)件的恢復(fù)力模型,主要用于描述構(gòu)件截面的彎矩-曲率滯回關(guān)系或構(gòu)件的P-滯回關(guān)系。2.2國內(nèi)外恢復(fù)力模型研究現(xiàn)狀曲線型模型：蘭伯格-奧斯古德（Romberg-Osgood）：剛度連續(xù)折線型模型：克拉夫退化雙線型模型、武田三線型模型三線型模型四線型模型2.2國內(nèi)外恢復(fù)力模型研究現(xiàn)狀方法：理論計(jì)算法：偏心受壓理論試驗(yàn)擬合法：2.2國內(nèi)外恢復(fù)力模型研究現(xiàn)狀OA段AB段強(qiáng)化

5、段下降段朱伯龍 張琨聯(lián)2.3目前研究存在的問題1. 在現(xiàn)有的構(gòu)件抗震試驗(yàn)研究中，常常人為的引入破壞標(biāo)準(zhǔn)終止試驗(yàn)，如承載能力下降到極限荷載的85%。構(gòu)件實(shí)際上并未進(jìn)入最終倒塌破壞狀態(tài)，因此，所得到的數(shù)據(jù)不能為抗震倒塌彈塑性分析和設(shè)計(jì)提供充分的試驗(yàn)依據(jù)；2.在幾個(gè)比較常用的模型中,Bi-linear模型和Clough模型應(yīng)用起來比較簡(jiǎn)單,但一般只適用于具有梭形滯回曲線的單純受彎構(gòu)件。3. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析中應(yīng)用大多數(shù)模型都沒有考慮結(jié)構(gòu)大變形過程中可能出現(xiàn)的負(fù)剛度現(xiàn)象。3.研究內(nèi)容和方法柱板梁剪力墻連梁低周反復(fù)荷載試驗(yàn) 本課題的研究重點(diǎn)是通過四種不同的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件柱、板梁、剪力

6、墻和連梁在研究抗震性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析四種構(gòu)件抗倒塌破壞性能，并建立考慮構(gòu)件破壞全過程的恢復(fù)力模型及計(jì)算公式。3.研究內(nèi)容和方法3.研究內(nèi)容和方法測(cè)試內(nèi)容：鋼筋和混凝土的應(yīng)變規(guī)律、截面曲率、承載力、柱端位移、滯回曲線，觀察破壞特征及過程； 試驗(yàn)?zāi)康模貉芯?種構(gòu)件的抗倒塌能，總結(jié)出抗倒塌破壞過程中4種構(gòu)件承載力、位移、強(qiáng)度和剛度退化、延性、耗能等性能指標(biāo)。建立恢復(fù)力模型：以試驗(yàn)中獲得的恢復(fù)力與變形的關(guān)系曲線經(jīng)適當(dāng)抽象和簡(jiǎn)化建立基于抗倒塌性能的恢復(fù)力數(shù)學(xué)模型。4.本課題創(chuàng)新點(diǎn)及成果通過低周反復(fù)荷載試驗(yàn)最大限度地獲取試驗(yàn)構(gòu)件從開始加載到最終倒塌極限狀態(tài)過程中各種試驗(yàn)構(gòu)件的性能指標(biāo)

7、，承載力、剛度、變形能力、耗能能力以及破壞特征等，最終建立基于抗倒塌分析的鋼筋混凝土構(gòu)件恢復(fù)力模型；運(yùn)用建立的恢復(fù)力模型對(duì)構(gòu)件進(jìn)行抗倒塌的數(shù)值模擬；從構(gòu)件的破壞特征著手，研究構(gòu)件破壞機(jī)理，提出構(gòu)件累計(jì)損傷指標(biāo)和破壞準(zhǔn)則, 為最終鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗地震倒塌的定量設(shè)計(jì)及計(jì)算分析提供理論依據(jù)。4.本課題創(chuàng)新點(diǎn)及成果（1）四種構(gòu)件的滯回全曲線、考慮下降段骨架全曲線；（2）由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出四種構(gòu)件的基于抗倒塌破壞的精細(xì)化恢復(fù)力模型；（3）提出基于構(gòu)件破壞的混凝土結(jié)構(gòu)倒塌失效準(zhǔn)則；（4）在核心刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文3篇以上。5.課題進(jìn)度安排2011.09-2011.12閱讀文獻(xiàn)，掌握理論知識(shí)，確定研究方案201

8、3.01-2013.06撰寫小論文2013.07-2014.03完成學(xué)位論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯2012.01-2012.12確定實(shí)驗(yàn)方案，準(zhǔn)備試驗(yàn)、進(jìn)行試驗(yàn)、試驗(yàn)結(jié)果處理2.1國內(nèi)外結(jié)構(gòu)倒塌研究現(xiàn)狀1998年Corley等對(duì)美國俄克拉荷馬州城市聯(lián)邦政府工作大樓由爆炸引起的倒塌破壞進(jìn)行了災(zāi)害調(diào)查分析，認(rèn)為對(duì)新建建筑進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)可通過增大結(jié)構(gòu)延性來改善結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能；對(duì)已建結(jié)構(gòu)則可通過對(duì)柱進(jìn)行局部加固、增加填充墻或抗彎框架形成多重防線來改進(jìn)結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著突發(fā)事件(煤氣爆炸、恐怖襲擊和汽車撞擊等)日益增多和特大地震頻繁發(fā)生,結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能研究引起了越來越多的科研工作者

9、的關(guān)注。2.2試驗(yàn)手段和對(duì)象研究現(xiàn)狀試驗(yàn)研究手段從最初的擬動(dòng)力子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)逐步擴(kuò)展至足尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)抗倒塌性能試驗(yàn)研究成果也時(shí)有發(fā)表。隨著數(shù)值分析技術(shù)的日益成熟和通用(專用)分析程序逐步推廣應(yīng)用，研究方法從災(zāi)害調(diào)查分析為主逐步擴(kuò)展為以總結(jié)災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值分析二者并重。研究對(duì)象從理想的單自由度體系延伸至較符合實(shí)際工程的多自由度體系，部分文獻(xiàn)中甚至研究了填充墻的影響，需要指出的是現(xiàn)階段的研究主要集中于框架結(jié)構(gòu)。2.3關(guān)于倒塌準(zhǔn)則的研究現(xiàn)狀第三方 1倒塌破壞的判別準(zhǔn)則7234562.3關(guān)于倒塌準(zhǔn)則的研究現(xiàn)狀1.基于變形所建立的倒塌破壞的判別準(zhǔn)則對(duì)于多自由度結(jié)構(gòu)的彈塑性反應(yīng)，一般都以結(jié)構(gòu)的整體變形超過

10、給定的限值或結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件破壞作為結(jié)構(gòu)的破壞標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于這方面的內(nèi)容，國內(nèi)外都做了大量的研究，但是分歧不斷。在動(dòng)力載荷作用下結(jié)構(gòu)的變形僅僅反應(yīng)了結(jié)構(gòu)剛度的大小，并不能真正揭示破壞的原因。在實(shí)際的地震中，有些結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生很大的變形，它只是影響結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性等，并不倒塌。一些研究者指出，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震力作用下的破壞用結(jié)構(gòu)內(nèi)部未達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的某一變形值作為依據(jù)可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)。用變形作為結(jié)構(gòu)倒塌破壞的判別準(zhǔn)則，已經(jīng)引起了國內(nèi)外許多學(xué)者的懷疑。2.3關(guān)于倒塌準(zhǔn)則的研究現(xiàn)狀2.基于最大位移和能量雙重標(biāo)準(zhǔn)所建立的倒塌破壞的判斷準(zhǔn)則地震作為一種隨機(jī)往復(fù)載荷，對(duì)于結(jié)構(gòu)的破壞是一個(gè)損傷累計(jì)

11、的過程，用強(qiáng)度準(zhǔn)則和變形準(zhǔn)則很難描述這一現(xiàn)象。同時(shí)大量實(shí)際災(zāi)害表明，地震序列對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷破壞有很大的影響，例如如果主震為中震，則小余震對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度影響不大；如果主震為大震，則小余震也會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，在此情況下，若余震為中震，則結(jié)構(gòu)可能在瞬時(shí)就要發(fā)生倒塌破壞，這說明首次超越極限的位移對(duì)結(jié)構(gòu)破壞具有很大的影響，僅用能量準(zhǔn)則很難解釋這一情況。結(jié)合這兩方面提出了位移-能量雙重破壞準(zhǔn)則，認(rèn)為結(jié)構(gòu)的破壞是由變形和能量積累消耗兩方面造成的。比較有代表性的是Ang、Wen和Park等人提出的最大反應(yīng)變形和累計(jì)耗能的線性組合地震損傷模型。2.3關(guān)于倒塌準(zhǔn)則的研究現(xiàn)狀3.基于剛度所建立的倒塌破壞的判別準(zhǔn)則

12、結(jié)構(gòu)剛度退化的主要原因是構(gòu)件屈服后的彈塑性變形和累積損傷，這種損傷主要表現(xiàn)在混凝土裂紋的發(fā)生、發(fā)展和鋼筋與混凝土之間粘結(jié)滑移的破壞。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)倒塌破壞的剛度準(zhǔn)則是與結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力滯回曲線密切相關(guān)的，目前有關(guān)剛度退化規(guī)律的研究人員大都集中于結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力滯回曲線模型的建立，而結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力曲線受試驗(yàn)設(shè)備影響較大，所以結(jié)構(gòu)剛度退化可靠度較差，比較難以操作。同時(shí)破壞過程中結(jié)構(gòu)自振頻率發(fā)生變化。2.4目前研究所存在的問題1.目前對(duì)抗倒塌的研究主要集中在豎向倒塌問題上，對(duì)側(cè)向倒塌及結(jié)構(gòu)屈服到側(cè)向倒塌這一過程的研究相對(duì)較少；2.實(shí)際工程更為關(guān)注的往往是結(jié)構(gòu)倒塌的臨界狀態(tài)，而并非倒塌過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因此，結(jié)構(gòu)倒塌全過程描述方法目前還難以用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的倒塌分析；3. 在現(xiàn)有的構(gòu)件抗震試驗(yàn)研究中，常常人為的引入破壞標(biāo)準(zhǔn)終止試驗(yàn)，如承載能力下降到極限荷載的85%。構(gòu)件實(shí)際上并未進(jìn)入最終倒塌破壞狀態(tài)，因此，所得到的數(shù)據(jù)不能