尺寸效应对钢筋混凝土短柱抗震性能影响研究

The structural dimension of reinforced concrete (RC) components is getting larger and larger with the development of materials science, and the increase of the structural span and height. Consequently, size effect becomes a vital basic scientific issue in the field of concrete structure. RC columns should bear not only the vertical and lateral loads, but also the torsional effect under seismic actions. Long columns exhibit good ductility and energy-dissipating capacity. However, short columns could result in a brittle shear failure and the whole collapse of the structure under earthquake, because of the limitation of structural ductility. Therefore, the reliability of short columns is of crucial importance to the safety of the entire engineering structure. Lots of efforts have been made to evaluate the seismic performance of RC columns, however, less have been done to systematically assess the impact of size effect on the seismic performance of RC columns. Herein this project, the RC short column is taken as the research object. Based on the model tests and the mesoscopic numerical theories, the failure mechanism of cyclically loaded RC short columns with different sizes and stirrup ratios will be studied, the size effect rule of different mechanical parameters will be obtained, and the impact of size effect on the seismic performance of RC short columns will be revealed. This project aims at modifying the currently utilized designing theories and methods of concrete structures, and enhancing the scientificity and the rationality of seismic design of large-scale RC components.

随着材料科学的发展、结构跨度和高度的增加，钢筋混凝土构件的尺寸也越来越大，随之而来的尺寸效应问题已成为当今混凝土结构领域重要的基础科学问题。地震作用下，钢筋混凝土柱通常同时承受竖向和横向荷载，并受到扭转效应的影响，长柱延性较好，耗能能力较强，而短柱的结构延性有限，在地震作用下极易发生脆性剪切破坏，进而造成结构的整体坍塌，因此钢筋混凝土短柱的可靠性对整个工程结构的安全性至关重要。针对钢筋混凝土柱抗震性能的研究有很多，但系统讨论尺寸效应对钢筋混凝土柱抗震性能影响的研究则鲜有报道。本项目即是以钢筋混凝土短柱为研究对象，基于物理模型试验和细观数值理论，揭示不同尺寸、不同配箍率钢筋混凝土短柱在低周往复荷载作用下的破坏机制，获得不同力学参数的尺寸效应规律，分析尺寸效应对钢筋混凝土短柱抗震性能的影响，进而修正现行混凝土结构设计理论与方法，提高大尺寸钢筋混凝土构件抗震设计的科学性及合理性。

我国是地震多发国家，钢筋混凝土柱作为支承梁、板等结构的重要竖向受力构件，同时也承受着地震力和风力等水平荷载的作用。短柱的破坏因具有明显的脆性破坏特征，其可靠性对整个工程结构的安全性至关重要。此外，尺寸效应问题是当今混凝土结构领域重要的基础科学问题。由于钢筋混凝土构件的破坏模式与机制区别并远复杂于素混凝土构件，因此钢筋混凝土构件的尺寸效应问题日益凸显，但现有尺寸效应理论公式难以反映钢筋混凝土构件中众多重要参数对尺寸效应的影响。针对这一课题背景，本项目首先在现有相对成熟的结构层次尺寸效应理论基础上，扩展建立混凝土材料层次尺寸效应理论，形成材料-结构统一的尺寸效应研究方法；其次在混凝土材料-结构尺寸效应统一理论基础上，探讨尺寸效应对钢筋混凝土短柱抗震性能的影响机制，提高大尺寸钢筋混凝土构件抗震设计的科学性及合理性。重要研究成果及其科学意义主要包括：1.提出了用于普通和高性能混凝土材料性能研究的宏-细观多尺度理论分析方法，为基于性能设计的混凝土材料配合比研究奠定了理论基础；2.建立了一套混凝土材料层次尺寸效应解析理论，该理论能够有效分析混凝土宏观力学性能随细观结构性能和尺度的变化行为，进而以基于准脆性断裂力学理论的结构层次尺寸效应律为基础，提出了材料-结构统一尺寸效应律；3.为了探讨尺寸效应对钢筋混凝土短柱抗震性能的影响机制，建立了钢筋混凝土三维细观力学数值分析模型，该模型基于混凝土材料微/细观结构的非均质特性建立，并充分考虑钢筋与混凝土之间复杂的相互作用行为；4.结合相关物理试验及数值模拟结果，凝练归纳出了影响钢筋混凝土柱尺寸效应行为的主导参数——“箍筋率”，建立了考虑箍筋约束作用的钢筋混凝土柱轴压强度尺寸效应半理论-半经验公式，并提出了钢筋混凝土柱抗剪承载力修正计算公式。