钢筋混凝土柱地震破坏模式和变形能力的概率研究

Considering the fact that a lager number of reinforced concrete columns, piers and piles often suffer flexure failure, flexure-shear failure and shear failure under seismic load, and uncertainty, such as material parameters, structural geometry, load strength, calculation model, etc., exists in civil engineering practice, this research project present the seismic failure modes and deformation capacity of reinforced concrete columns based on probability theory. Using PEER structural performance database of reinforced concrete column and domestic test data, statistical analysis for influencing factors of seismic failure modes and deformation capacity are carried out. Based on probability theory, the failure mode index models for column components are developed, and approaches to probabilistic identifying column failure modes: flexure, flexure-shear and shear in certain condition are proposed. Moreover, the deformation capacity of columns subjected to different failure modes are predicted, especially flexure-shear failure. Also, the guarantee measures that could satisfy the deformability requirement are presented. The pseudo-dynamic tests of reinforced concrete columns are conducted to study the effects of different loading paths on the column failure modes and deformation capacity, and to establish the relationship of column deformation capacity and loading path. These research results can be used for seismic design of the new buildings, bridges, other structures, and seismic performance evaluation for existing structures. There is very vital significance for revising the seismic design specification and developing the performance-based seismic design theory using probability theory.

针对地震中钢筋混凝土柱、桥墩、桩等受压构件大量出现的弯曲、弯剪和剪切破坏现象及工程实际中存在的不确定性问题（如材料特性参数、结构几何尺寸、荷载作用强度、计算模型等的不确定性），开展钢筋混凝土柱类构件地震破坏模式和变形能力的概率研究。本项目借助PEER柱抗震性能试验数据库和国内试验数据，分析钢筋混凝土柱地震破坏模式（弯曲、弯剪和剪切破坏）和不同破坏模式下柱变形能力的影响因素；基于概率理论，建立柱破坏模式判别模型，提出在某些参数条件下柱发生不同破坏时概率意义上的判别方法；建立不同破坏模式下柱变形能力计算模型，重点是弯剪破坏柱，提出保证柱满足变形能力要求的措施；通过拟动力试验，研究加载路径对柱破坏模式和变形能力的影响，建立柱变形能力与加载路径的关系。研究成果可用于新建房屋、桥梁等结构的抗震设计和既有结构的抗震性能评价，对修订抗震设计规范和发展基于概率的性能抗震设计理论具有十分重要的意义。

本项目以发展基于概率的性能抗震设计为目标，主要以钢筋混凝土柱类受压构件为研究对象，考虑工程实际中存在的不确定性问题。在以下方面有所创新或新的认识：.(1) 收集整理了国内外完成的336根矩形和螺旋箍筋钢筋混凝土柱抗震试验数据，分析了钢筋混凝土柱地震破坏模式（弯曲、弯剪和剪切破坏）的影响因素；基于概率理论，建立了柱地震破坏模式概率判别模型，给出了地震作用下柱发生弯曲、弯剪及剪切破坏的概率分布并提出了柱发生不同破坏的概率判别方法。.(2) 对已有钢筋混凝土柱的变形能力计算式进行了评价并选定精度较好的计算式作为先验模型，通过已完成试验研究的弯剪破坏柱极限位移角数据，应用概率方法综合这两类信息进行推断，修正先验模型的偏差从而建立弯剪破坏钢筋混凝土柱变形能力的概率模型。结果表明，在统计学理论框架下以概率角度描述结构的能力，既继承了先验信息的完备性，又利用了试验数据的准确性，可与结构地震反应（或需求）的不确定性相一致。.(3) 评价了我国桥梁抗震设计原“公路工程抗震设计规范(JTJ 004-89)”和现行“公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)”中最低约束箍筋用量对保证弯剪破坏墩柱变形能力的可靠性，并与美、欧主要桥梁抗震设计规范进行了对比。分析认为，以3%极限位移角为评价目标，现行“公路桥梁抗震设计细则”配箍要求略偏于不安全，在高地震危险区墩柱抗震设计时应予以注意。.(4) 分别以2%和3%极限位移角为延性目标，建立了具有85%保证率的弯剪破坏柱塑性铰区约束箍筋用量计算公式，并验证了建议公式对保证钢筋混凝土墩柱延性的可靠性。.(5) 通过单调加载和低周反复加载试验，研究了加载路径以及轴压比、剪跨比、箍筋间距对钢筋混凝土柱地震破坏模式和变形能力的影响，以建立构件能力与需求之间的关系。