基于变形和累积耗能的型钢再生混凝土柱地震损伤模型研究

为研究型钢再生混凝土柱地震损伤性能,本文依据17个试件低周反复荷载试验研究结果,将型钢再生混凝土柱划分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和防止倒塌五个状态水平;以层间位移角作为该柱抗震性能控制指标,对试验数据进行数理统计分析,确定型钢再生混凝土柱不同性能水平下量化指标取值;结合型钢再生混凝土柱受力特征,对修正的ParkAng损伤模型进行改进,确定构件单调荷载下极限变形计算方法;采用多变量回归方法得到耗能因子的计算式,并分析设计参数对型钢再生混凝土柱耗能能力的影响规律,最终建立型钢再生混凝土柱基于变形和累积耗能的地震损伤模型,结果表明:型钢再生混凝土柱在破坏状态时的损伤指标计算平均值为0.986,接近1.0,离散性较小;故该损伤模型用于评价型钢再生混凝土柱的地震损伤性能是可行的;在此基础上,建立了型钢再生混凝土柱不同状态水平与损伤指数的对应关系,并确定了相应的损伤指数取值。上述结论可为型钢再生混凝土柱的抗震性能设计和地震损伤评估提供参考。     

取代率对钢管再生混凝土短柱轴压性能退化的影响分析

为了揭示再生粗骨料含量对钢管再生混凝土短柱轴压性能退化的影响,以再生粗骨料取代率级差10%作为主要变化参数,分别进行了22组圆钢管试件(以直径90mm和110mm为次要变化参数)和11组方钢管试件的轴心受压试验,从组合轴压刚度退化、损伤以及耗能的角度分析了再生粗骨料取代率对其性能衰减的影响程度。研究结果表明:钢管再生混凝土短柱在非弹性阶段的退化特性大致表现为负指数函数的形式;再生粗骨料取代率较高时的轴压损伤累积比取代率较小的试件快;对于含钢率低、套箍系数小的圆钢管试件,其全过程耗能因子降低较快且变得较小;再生粗骨料取代率超过50%后,钢管再生混凝土的轴压终值耗能因子均随取代率的增加而降低。     

改进的Park-Ang再生混凝土柱地震破坏模型的试验研究

通过对不同配比的6根再生混凝土(RAC)柱进行低周反复加载试验。由于现有普通混凝土结构地震破坏损伤模型均为基于普通混凝土结构所构建的,是否适用于RAC结构的地震损伤破坏计算仍不明确;为能够有效考虑RAC中再生骨料取代率及混杂纤维掺量等因素所造成的普通混凝土结构地震破坏损伤模型中循环荷载系数β的不确定性及其对损伤指数计算结果的影响,同时提高计算模型的预见性与可靠性,本文提出了一种适用于RAC结构的改进的双参数损伤模型。通过模型的计算结果与实际结构各震害破损度D_c的对比,确定了适用于RAC结构的双参数损伤模型中循环荷载系数β的值。     

型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点地震损伤研究

为研究型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点的地震损伤性能,对8个节点试件进行低周反复荷载试验研究,结果表明:节点核心区主要发生剪切斜压破坏,试件滞回曲线较为饱满,位移延性系数均值大于3.0,节点表现出较好的抗震性能。同时,基于最大变形和累积耗能的双参数准则,在Park-Ang地震损伤模型研究的基础上,通过引入组合系数α对该模型进行修正,计算节点的地震损伤指数,并以此评估分析再生粗骨料取代率和轴压比对节点地震损伤性能的影响。结合试验研究,将节点的地震损伤性态水平划分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和防止倒塌5类,并给出其相应的量化指标;在此基础上,建立不同性态水平下节点的损伤程度、破坏等级与量化指标的一一对应关系。研究结论可为型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点抗震性能化设计提供参考。     

再生混凝土柱地震破坏Park-Ang模型试验研究

通过对不同配比的6根再生混凝土(RAC)柱进行低周反复试验,结合适用于普通混凝土柱的修正Park-Ang双参数损伤模型及实际结构各震害破损度Dc,确定了各RAC柱的循环荷载系数β的计算值。通过分析可得：再生骨料取代率及混杂纤维掺量对系数β均有明显的影响,需将二者同时作为计算系数β的重要因素。考虑配筋率对于系数β的影响,利用Matlab对以再生骨料取代率R、混杂纤维掺量Hf、配筋率ρa为基础的多变量线性方程进行拟合,确定了循环荷载系数β的计算公式： a fβ=0.0689ρ+0.02138R+0.05614H ,从而对修正Park-Ang模型作出了进一步修正,使其更适用于RAC柱的损伤计算。     

修正的Park-Ang性能增强再生混凝土框架中节点地震损伤模型

通过对3个足尺性能增强再生混凝土(EC-RAC)框架中节点进行低周反复加载试验,分析其结构模型地震损伤演化过程,确定其震后实际损伤状态与损伤指标。同时,针对传统钢筋混凝土Park-Ang双参数损伤模型无法准确描述加载位移大于100mm后EC-RAC框架节点模型的损伤演化与累积行为的缺点,本文提出了一种修正的Park-Ang双参数损伤模型,并基于前述试验结果,拟合了纤维项系数、位移项系数、能量项系数。最后,利用所提出的损伤模型,以HF-RAC2为例进行损伤指标误差分析,结果表明:平均误差在6%以内,即所提出的双参数损伤模型能够适用于EC-RAC框架节点地震损伤与评估分析。     

再生碎石混凝土力学性能试验研究

针对再生粗骨料为碎石的再生混凝土,设计了99个试件,分别进行立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、弹性模量和泊松比等力学性能的试验。本文研究了再生混凝土的强度指标、变形性能、损伤过程、能量耗散等特征,分析了骨料取代率对其各性能指标的影响;基于试验数据,得出各强度性能指标的换算关系;分别采用分段式本构关系模型和损伤本构关系模型对再生混凝土的应力-应变本构关系进行研究,并提出相应的本构方程。研究结果表明:与天然骨料混凝土相比,再生混凝土的各项强度指标均略为增大,但变形性能和耗能性能降低,应力-应变全曲线下降段更为陡峭;随着取代率的增大,弹性模量呈先减小后增大的变化趋势,泊松比无明显变化,与天然混凝土接近;其损伤发展过程加快,应变在ε=(3~5)×10-3时最为迅速。分段式本构方程和损伤本构方程的计算结果与试验值均能较好地吻合。     

高强钢筋混凝土柱地震损伤模型研究

为研究配置高强钢筋混凝土柱在地震作用下的损伤情况，对10根高强钢筋混凝土柱开展低周反复荷载试验。基于试验结果，采用修正的Park-Ang损伤模型进行分析。针对不同模型进行高强钢筋混凝土柱的损伤计算，分别对其适用性进行全面评价，建立考虑幅值和累积耗能相互作用的损伤理论模型。研究结果表明：Chai模型、Kunnath模型、傅剑平模型的准确性较好，付国模型和陈林之模型计算得到的结果偏大。本研究模型的计算结果与试验结果较为一致，可用于高强钢筋混凝土柱的损伤计算。     

反复荷载下圆钢管型钢再生混凝土组合柱恢复力模型研究

为建立圆钢管型钢再生混凝土组合柱的恢复力模型,对11根圆钢管型钢再生混凝土组合柱试件进行了低周反复荷载试验研究,考虑了再生骨料取代率、配钢率及钢管径厚比等不同设计参数的影响,分析了组合柱的地震破坏形态及滞回性能。基于组合柱的力学特征及曲线形状,提出了圆钢管型钢再生混凝土组合柱骨架曲线的三折线参数模型,采用理论推导与数据拟合的方法确定了组合柱骨架曲线的模型参数。在此基础上,给出了组合柱的滞回规则和卸载规律,构建了组合柱的恢复力模型,计算滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好,表明该恢复力模型较好地反映了反复荷载下组合柱的受力特征点及滞回性能,可为此类组合柱的推广提供技术参考。     

修正的RC剪力墙构件Park-Ang损伤模型

基于Park-Ang 损伤模型，提出了用于钢筋混凝土剪力墙构件的修正损伤模型．通过对已有钢筋混凝土剪力墙试验结果的统计分析，总结了其累积耗能组合系数的影响因素，并拟合出该系数与试件参数：剪跨比、轴压比、配筋率的关系式．修正的损伤模型需满足加载至破坏时损伤指标为1.0 的上界条件，结果表明，根据本文修正的损伤模型计算的钢筋混凝土剪力墙试件损伤指标在统计意义上满足该条件．最后，根据构件性能水准的相关研究，本文将钢筋混凝土剪力墙构件的性能水准划分为：基本运行，生命安全和接近倒塌，分别对应了构件骨架曲线相应关键点：屈服点、峰值点和极限破坏点，根据本文修正损伤模型计算的各水准损伤指标临界值分别为：0.02、0.45 和1.00．     

骨料类型对再生混凝土力学特性的影响研究

为了研究骨料类型对再生混凝土力学性能的影响,以再生粗骨料种类和取代率为变化参数,设计了198个再生混凝土试块,分别进行了立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、弹性模量、泊松比等力学性能试验,获取了试件受力破坏全过程的应力-应变曲线以及峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比等特征参数。基于试验数据,从位移延性、能量耗散、损伤过程、本构关系等方面分析了骨料类型对其破坏机理和力学性能的影响。试验结果表明:再生卵石混凝土的延性系数与耗能系数均值都比再生碎石混凝土大5%,前者的力学性能指标略好,变形性能更优,损伤过程也更为缓慢,而骨料类型对再生混凝土的能量耗散能力无明显影响。最后提出了不同骨料类型再生混凝土应力-应变本构方程,研究结果可供再生混凝土的进一步科学研究和工程应用提供参考。     

四肢钢管混凝土格构柱地震损伤模型及试验研究

为了评价巨型组合结构体系中钢管混凝土格构柱的地震损伤情况,对4根四肢钢管混凝土格构柱进行了拟静力试验,得出了四肢钢管混凝土格构柱在水平低周反复荷载作用下的水平荷载-位移滞回曲线、破坏特征和构件损伤情况。在试验所获得滞回曲线的基础上,通过对能量系数和耗能因子的修正,在传统双参数地震损伤模型基础上建立了适用于巨型组合结构体系中钢管混凝土格构柱的考虑无效耗能的双参数地震损伤模型,与试验结果相吻合。结果表明,修正后的模型能够较为准确地反映四肢钢管混凝土格构柱各位移阶段的损伤系数,为巨型组合结构体系中钢管混凝土四肢格构柱及其结构的地震损伤分析提供参考依据。     

三向受压状态下再生混凝土的变形性能及损伤分析

为了研究再生混凝土在多应力状态下的变形行为,设计68个圆柱体试件对再生混凝土的取代率、侧向压力、混凝土的龄期,混凝土的强度进行了三向受力试验。试验给出了试件破坏全过程的应力-应变曲线,并深入分析了三轴受压再生混凝土的初始弹性模量、峰值应变、位移延性、能量耗散、损伤演变等性能参数。研究结果表明:龄期、侧向压力越大以及混凝土强度越高,再生混凝土的弹性模量越大;侧向压力可有效提高再生混凝土的变形性能;取代率对延性性能有一定的影响,但对耗能能力影响不大;龄期越大,再生混凝土强度越低,再生骨料服役年限越短,其延性性能和耗能性能越好;侧向压力越大,损伤曲线斜率越小,表明再生混凝土的损伤时间推迟,再生混凝土的损伤受取代率的影响不大。     

型钢再生混凝土组合柱水平承载力试验及计算方法研究

基于17个型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验,分析了再生粗骨料取代率、轴压比、体积配箍率以及剪跨比对组合柱水平承载力的影响规律。通过实测型钢腹板与翼缘,箍筋及纵筋的荷载-应变曲线,并结合组合柱的破坏形态特征,分析了型钢再生混凝土组合柱在水平荷载作用下的破坏机理。在此基础上,分别推导了型钢再生混凝土组合柱发生剪切斜压破坏和弯曲破坏时的理论计算公式。为了便于计算,本文提出了型钢再生混凝土组合柱水平承载力实用计算公式。结果表明,组合柱的计算水平承载力与试验值吻合较好,满足计算要求。上述研究结论可为型钢再生混凝土组合柱的抗震设计提供参考。     

GFRP管型钢再生混凝土组合柱轴压性能及承载力计算

通过对11根玻璃纤维(GFRP)管型钢再生混凝土组合柱的静力加载试验以研究其轴压性能,主要考虑再生粗骨料取代率、配钢率和长细比、再生混凝土强度等级等设计参数,重点分析试件破坏过程及形态、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线和承载力等。结果表明:各试件试验过程及破坏形态相似,型钢先发生屈服,随后内部再生混凝土被压碎,最后外部GFRP管纤维撕裂破坏;试件轴压承载力随着取代率和长细比的增大而逐渐减小,其最大降幅分别为10.8%和9.5%;提高配钢率和再生混凝土强度对组合柱的轴压承载力是有利的,其最大增幅分别为14.1%和6.1%。在GFRP管的约束作用下,内部型钢再生混凝土处于三向受压状态,组合柱的承载力得到了显著提高。在此基础上,采用叠加原理并考虑再生粗骨料取代率及长细比的不利影响,提出GFRP管型钢再生混凝土组合柱的轴压承载力计算公式,计算值与试验吻合较好。     

钢筋再生混凝土梁高温后受弯承载力试验及计算

为研究高温后钢筋再生混凝土梁的受弯性能,以温度、再生粗骨料取代率、混凝土强度为变化参数,设计了17个试件进行高温后的静力加载试验,观察了高温后试件的受力破坏过程,绘制出荷载-挠度、截面应变分布曲线,分析了各变化参数对高温后钢筋再生混凝土梁受弯性能的影响规律,并探讨了其抗弯承载力和挠度计算方法。研究结果表明:钢筋再生混凝土梁在历经高温后的受弯破坏形态基本与常温下相同;随着温度的升高,试件的剩余承载力先增大后减小,刚度逐渐降低,损伤退化速度变快,延性降低,耗能能力和峰值挠度减小;随着再生粗骨料取代率的增加,试件加快进入损失残余阶段,耗能能力和峰值挠度增大;混凝土强度等级的提高,能有效提高高温后再生混凝土梁的承载力和增大峰值挠度。     

混凝土材料损伤-自愈行为的湿化力多场耦合分析

荷载与环境共同工作下的混凝土损伤-愈合力学行为具有典型的内在湿化力多场耦合特征．本文以混凝土中CaCO3 沉淀自愈机制为例,建立了一种湿-化-力多场耦合分析模型．通过引入一组扩散和化学反应方程,对材料微观结构层次的物理化学过程进行数学建模．随后,基于连续损伤愈合力学理论,将自愈效应引入混凝土损伤本构关系,发展出混凝土湿化力耦合分析模型并进行模型验证．针对单轴拉伸混凝土试样进行多场耦合数值分析,考察了关键参数对愈合过程的作用规律以及自愈进程对混凝土材料力学行为的影响．本文的研究为混凝土在运行环境下的损伤-愈合行为以及性能演变提供了定量分析方法．     

钢筋再生混凝土构件高温损伤分析

以本课题组前期完成的120个棱柱体试块,25根钢筋再生混凝土短柱和32根钢筋再生混凝土梁试件高温后力学性能试验数据为基础,深入分析了再生粗骨料取代率和历经最高温度对再生混凝土试块和钢筋再生混凝土构件高温损伤及力学性能变化规律的影响。研究结果表明:随着温度的升高,再生混凝土试块、钢筋再生混凝土构件发生了相似的物理现象,表面颜色由青灰色逐渐变为灰白色、表面出现微裂缝、质量减少,其质量烧失率逐渐增大。随温度的升高,各试件峰值荷载逐渐下降;受剪梁的峰值变形、延性、耗能受温度影响显著,且随温度的升高均呈下降的趋势;受弯梁的峰值变形、延性、耗能受温度影响不明显;试块和柱的峰值变形、延性、耗能受温度影响波动较大,没有呈现明显的规律。随取代率的提高,受剪梁的峰值变形、延性和受弯梁的延性出现较大波动,其余各试件的受力性能指标受取代率影响不明显,延性、耗能呈小幅下降的趋势,承载力、峰值变形呈小幅增大的趋势。     

局部屈曲FRP增强薄壁钢管混凝土抗震性能

为了研究FRP(Fiber Reinforced Polymer)增强薄壁钢管混凝土的抗震机理,提出FRP约束钢管局部屈曲应力-应变关系并建立FRP约束钢管恢复力模型,在此基础上建立FRP增强薄壁钢管混凝土柱滞回模型,开展FRP增强薄壁钢管混凝土柱拟静力试验以验证滞回模型的合理性,同时考查FRP布置方式对柱体抗震性能的影响,利用滞回模型对FRP增强薄壁钢管混凝土的耗能机理进行分析。研究表明,薄壁钢管局部屈曲所导致的强度退化是柱体抗震性能劣化的主要原因,基于纤维力学特性合理设计FRP的增强方式可有效提升柱体的抗震性能。CFRP宜采用环向约束方式抑制薄壁钢管的局部屈曲;GFRP宜采用纵向抗弯方式提高柱体大变形下的承载能力。FRP增强薄壁钢管混凝土的耗能主要由钢管承担,在本文研究参数范围内,薄壁钢管耗能占比超过80%,混凝土耗能介于10%～20%,纵向FRP耗能小于8%,对薄壁钢管实施有效约束后,其耗能可提高40%以上。     

碳／环氧层板螺接接头拉脱疲劳的实验研究

拉脱破坏是复合材料结构机械连接接头破坏的一种模式。本文通过实验研究了拉脱疲劳累积损伤的扩展过程，并应用累积损伤理论定义和测定了损伤参数，提出了损伤极限的概念，简单阐述了损伤破坏机理。