高強混凝土柱變形-耗能損傷模型的參數確定

林煌斌,王全鳳,劉良林

(1.華僑大學土木工程學院,福建泉州 362021; 2.集美大學工程技術學院,福建廈門 361021)

高強混凝土柱變形-耗能損傷模型的參數確定

林煌斌1,2,王全鳳1,劉良林1

(1.華僑大學土木工程學院,福建泉州 362021; 2.集美大學工程技術學院,福建廈門 361021)

基于變形-耗能雙參數損傷模型,對HRB 400高強度鋼筋混凝土柱的試驗數據和現象進行損傷評價,確定高強度混凝土柱損傷模型參數.結合試驗和震害中觀察的破壞現象,計算不同性能HRB 400高強度混凝土柱所對應的損傷指數,并進一步結合構件破損狀態(tài)及其對應的損傷指數,確立基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞等4種不同破壞等級的損傷指數范圍.

損傷模型;變形-耗能;高強鋼筋混凝土;損傷評價

混凝土結構材料是損傷累積特性頗為突出的工程材料,在不同工況下,其損傷發(fā)育和累積問題是結構失效的本質問題.在地震作用下,結構損傷與結構最大變形和結構低周疲勞效應所造成的累積耗能損傷有關,地震損傷對建筑物后續(xù)服務期的承載能力和剩余壽命有重大影響.結構地震主要有首次超越破壞和累積損傷破壞2種主要地震破壞形式,應選擇反映結構不同破壞機理的損傷參數來描述結構或構件的損傷.結構在動力荷載作用下發(fā)生累積損傷,而描述損傷需要建立合理的損傷模型.結構損傷評價模型可分為雙參數模型、疲勞損傷模型和基于動力特征損傷模型等3種主要類型.然而,目前的各類損傷模型仍有不足之處,尚不能滿足實際應用的要求.本文通過 HRB 400高強鋼筋混凝土(RC)柱抗震試驗[1-2],探討損傷變形-耗能損傷模型中的參數確定.

1 變形-耗能損傷模型

美國學者Park和Ang根據美國和日本等國家的鋼筋混凝土261組試驗結果,在變形分析基礎上考慮累積滯回耗能對構件地震損傷的影響,提出以最大變形與累積滯回耗能組合雙參數地震損傷模型——Park&Ang模型[3-7].即

式(1),(2)中:δu為構件或結構在單調荷載作用下的破壞極限變形;δm為地震作用下實際的最大彈塑性變形;Qy為屈服剪力(如果Qu小于Qy時,Qy=Qu);dE為地震作用下實際的累積滯回耗能;β為循環(huán)荷載影響系數,α,β為非負參數;D為損傷指數.

結構損傷的循環(huán)荷載影響是由循環(huán)荷載影響系數β來體現的.吸收的滯回能(不含勢能)是綜合在循環(huán)荷載作用下梁和柱在破壞點時的261組數據進行計算,只采用能準確觀察到突然破壞點或通過骨架曲線能定義出漸變破壞點的數據.使用損傷指數D時,對每次試驗中的P-Δ曲線可跟蹤到破壞點,在破壞點(D=1)時,相應β值可計算出.計算β值后,可以觀察β值和體積配箍率ρw呈負相關,而和縱筋的配筋率ρl、軸壓比n0、構件的剪跨比l/d相關.對數據回歸后,有

式(3),(4)中:l/d為構件的剪跨比,當l/d<1.7時,取值為1.7;n0為構件軸壓比,當n0<0.2時,取值為0.2;ρl為縱筋配筋率,當ρl<0.75%時,取值為0.75%;ρw為體積配箍率,當ρw>2%時,取值為2%.

2 高強RC柱損傷模型參數確定

2.1 Park&Ang損傷模型使用范圍

Park&Ang模型的使用范圍[8]:1.0

對應的中國混凝土強度等級為C20～C55,工程中應用大多強度高于C55的高強混凝土,已超過Park&Ang模型使用范圍.體積配箍率ρw與β在工程中的關系為伴隨ρw增加,耗能和延性能力增強,對應于雙參數模型中應為β值增加.因此,有必要對變形-耗能模型中的參數表達式進行確定和試驗研究.

2.2 高強柱試驗抗震試驗

HRB 400高強度混凝土柱抗震試驗共制作4組柱,其參數如表1所示.構件的幾何尺寸和加載機制[1-2],如圖1,2所示.

圖3為試驗試件的最終破壞情況.HRB 400高強鋼筋混凝土柱 KZ-1,KZ-2,KZ-3,KZ-4受反復荷載作用的P-Δ曲線參見文獻[1].

圖1 試件尺寸(單位:mm)Fig.1 Size of test specimen(unit:mm)

圖2 加載裝置ig.2 Loading equipment

表1 試件材料參數表Tab.1 Parameters of specimen material

圖3 試件最終破壞圖Fig.3 Final failure of test specimen

2.3 損傷模型參數確定

2.3.1 計算δu經驗公式 在Park&Ang模型中,當不考慮脆性剪切破壞時,對細長梁和柱,極限變形可用材料應力-應變關系進行評估.構件在循環(huán)荷載作用下,發(fā)生剪切破壞,在單調荷載作用下發(fā)生彎曲破壞.當考慮重復循環(huán)荷載時,所有破壞模式在評估δu時都需要考慮.

到目前為止,還沒有出現確定混凝土構件的極限變形的可靠方法.特別是當剪切變形和粘結滑移可能占大部分貢獻時,甚至高精度復雜性的有限元分析都不可能跟蹤到在極限變形狀態(tài)時的變形性能.這是因為在該狀態(tài)下,銷栓作用、剪切裂縫、粘結退化和三向應力等因素具有不確定性.因此,現有單調加載試驗數據的簡單經驗公式被發(fā)展來確定δu數值.極限位移可預測,其中一種確定極限變形方法為

式(6)中:μ為延性系數;μ和δy是獨立的.

混凝土構件的屈服狀態(tài)可以定義在張拉時開始屈服時,或當混凝土里的極限纖維壓縮應變超過壓碎應變值的1.5倍時.屈服變形可以由以下幾項構成,鋼筋錨固的粘結滑移變形δf,彈性剪力變形δe,非彈性剪切變形δs,即δy=δf+δb+δs+δe.δe由傳統(tǒng)彈性梁理論計算,其他數值參考Park&Ang文獻計算方法.延性系數μ計算方法:

式(7)中,ρw體積配筋率;εp,ε0主應變,開裂應變.

2.3.2 循環(huán)荷載影響系數 使用D時,對每次試驗中P-Δ曲線都可跟蹤到破壞點,在破壞點時D=1,相應循環(huán)荷載影響系數β值可計算出.試驗構件延性系數(μ)、屈服位移(Δy)和極限位移(Δl)計算結果,如表2所示.試驗數據根據式(3)計算β1和式(5)計算β2,以及根據高強RC構件試驗結果進行計算得出的β3,如表2所示.

通過表2的損傷模型參數β1,β2,β3對比,表明式(3),(5)擬合數據與試驗實測β3的趨勢相同.因為構件數量有限,所以未能通過足夠數量的試驗數據擬合出高強混凝土柱β(λ,n,ρl,ρw)表達式.

表2 損傷模型參數計算比較Tab.2 Comparison among the calculation parameters of damagemodel

考慮式(3),(5)中對高強混凝土強度考慮不足,在高強混凝土構件中,混凝土強度等級對構件的延性耗能性能影響相對于低強混凝土表現更為顯著,增加考慮高強混凝土等級fc的影響參數,則有

表3 構件極限時損傷指數Tab.3 Damage index in limit state

其中:γ參數需由構件試驗確定.

2.3.3 損傷模型參數 高強度鋼筋混凝土柱極限狀態(tài)時,其損傷指數如表3所示.表3中:DP-A,Dcor分別為Park模型損傷指數和修正參數損傷指數.從表3可知,采用Park& Ang模型損傷指數超過1.0,組合耗能參數計算值超過正常范圍.

Park&Ang模型采用擬合261組數據,以低強度,高延性構件為主的數據進行擬合,擬合曲線更趨近于數據.對于超過混凝土強度范圍的試驗數據采用Park式回代計算,計算的耗能參數會偏大.修正的變形-耗能的損傷模型參數按式(8)計算后代入試驗構件分析評價,得到修正損傷指數如表3所示.結果表明,損傷指數與構件破壞狀態(tài)相對吻合,即破壞時損傷指數接近1.

對比試驗現象和構件開裂、構件屈服和構件極限狀態(tài)時的損傷指數分布,給出高強 RC柱在不同震害等級時的損傷指標,如表4所示.

表4 高強鋼筋混凝土柱的損傷指標Tab.4 Damage index of high-strength RC columns

3 結束語

在變形-耗能損傷模型基礎上分析RC柱的損傷參數,結合試驗結果確定HRB 400高強鋼筋混凝土柱構件地震損傷模型中構件循環(huán)荷載影響系數的取值.結合構件破壞狀態(tài)及其對應的損傷指數,確立了高強鋼筋混凝土柱構件不同的破壞等級所對應的損傷指數范圍.該修正后模型可以應用于RC工程結構設計與損傷評價.

[1]林煌斌,王全鳳.HRB 400高強度混凝土柱抗震性能分析[J].建筑結構學報,2008,29(S1):36-41.

[2]沈章春.新型高強度鋼筋混凝土柱抗震和偏壓試驗研究[D].泉州:華僑大學,2007.

[3]王全鳳,黃慶豐.損傷結構彈塑性抗震分析及評價[J].華僑大學學報:自然科學版,2009,30(1):6-10.

[4]王鋒,鄭玉芳.基于模態(tài)應變能法識別混凝土梁結構損傷的數值及試驗研究[J].福州大學學報:自然科學版,2007, 35(5):713-719.

[5]吳建營,李杰.混凝土結構的靜力和動力損傷非線性分析[J].福州大學學報:自然科學版,2005,33(S1):16-21.

[6]呂西林,張國軍.高強混凝土框架柱的地震損傷模型[J].地震工程與工程振動,2005,25(2):100-104.

[7]王全鳳,劉鳳誼,楊勇新,等.HRB 500級鋼筋混凝土簡支梁受彎試驗[J].華僑大學學報:自然科學版,2007,28(3): 300-303.

[8]PARK Y J,ANG A H S.Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete[J].J Struct Engrg,1985,111 (4):722-739.

[9]BEOLCH IN IGC,GALEOTA D,GIAMMA TTEO M M,et al.Seismic behavior of high strength RC columns[C]∥Proc of the 12th WCEE.Auckland:[s.n.],2000.

[10]REINHORN A M,VALES R E.Damage evaluation in inelastic response of structures:A determinsticapp roach [R].Buffalo:State University of New Yo rk at Buffalo,1995.

(責任編輯:黃曉楠英文審校:方德平)

Analysis of Deformation-Hysteretic Energy Dissipation Damage Model of High-Strength Reinforced Concrete Columns

L IN Huang-bin1,2,WANG Quan-feng1,L IU Liang-lin1
(1.College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China; 2.College of Engineering Technology,Jimei University,Xiamen 361021 China)

Damage evaluation on HRB 400 high-strength reinforcement concrete columns was analyzed based on the deformation-energy dissipation double parametermodel.The damagemodel parameterswere found through experimental data.Com bining with experimental failure and practical seismic failure,the damage indexes for four failure grades(in good condition,slight failure,moderate failure,and complete collapse)are given.Damage indexes to evaluate the failuremodel of high-strength reinforcement concrete columns is also presented,w hich is useful for engineer design and evaluation.

damagemodel;deformation-energy dissipation;high-strength reinforcement concrete;damage evaluation

TU 392.3

A

1000-5013(2011)03-0322-04

2010-11-03

林煌斌(1981-),男,講師,主要從事結構工程的研究.E-mail:linhuangbin@hqu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(50578066);福建省教育廳B類科研計劃項目(JB10099);高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(200803850001)