复合动力荷载作用下钢筋混凝土柱抗震性能及非对称结构倒塌过程研究

The research on mechanical properties of RC members and collapse process of asymmetric structures under complex dynamic loads is very limited in current research. By theoretical analysis, numerical simulation and experimental research, the mechanical properties of RC columns under complex dynamic loads, a beam element considering complex dynamic effects and collapse process of asymmetric structure are investigated. Firstly, the mechanical properties of RC columns under different bi-directional loading paths and axis-bending-shear-torsion complex dynamic loads are experimental studied; the internal mechanism of destruction is investigated; the failure criteria and restoring force model are also proposed. Then, a beam element considering axis-bending-shear-torsion complex dynamic effects is presented and is introduced into the finite element program by interface. Finally, to establish the finite element model of asymmetric structure and analysis the whole collapse process under multi-dimensional seismic action (or considering torsion seismic action). The research of this project has very important significance to improve seismic and collapse resistance capacity of concrete structure.

复合动力荷载作用下混凝土构件的力学性能及非对称结构的倒塌过程是目前很少涉及的重点研究问题。本项目拟采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，研究混凝土柱在复合动力荷载作用下的力学性能，构建能够反映构件复合动力效应的梁单元，并以此为基础研究非对称结构在地震作用下的倒塌过程。首先，试验研究混凝土柱在双向不同加载路径及轴-弯-剪-扭复合动力荷载作用下的力学性能，探究其破坏的内在机理并提出相应的构件破坏准则和恢复力模型；然后，构建能够考虑轴-弯-剪-扭复合动力效应的梁单元，并通过接口引入到大型有限元程序中；最后，建立能够考虑构件复合动力效应的非对称混凝土结构有限元模型，分析、模拟其在多维地震作用（或考虑扭转分量）下的倒塌破坏过程，给出合理的抗倒塌设计建议。本项目的研究对于提高混凝土结构的抗震及抗倒塌能力具有重要的意义。

本项目试验研究了同一钢筋混凝土柱和相同参数的钢筋混凝土柱在不同加载速率和不同加载路径下的力学性能。基于Timoshenko梁理论和纤维模型理论，通过FEAPpv有限元计算程序接口，建立了能够考虑钢筋、混凝土材料应变率效应和构件动态剪切效应的空间混凝土梁单元，并对试验结果进行模拟，模拟结果与试验结果基本吻合。基于OpenSees软件中的集中塑性铰梁单元，采用Scott等人改进后的Kent-Park混凝土本构模型和Mohle-Kunnath钢筋本构模型，并考虑材料应变率效应建立了空间动态梁单元模型，模拟了构件在不同加载路径下的动态力学性能，模拟效果与试验结果吻合较好。基于ABAQUS软件，混凝土采用损伤塑性本构模型，钢筋采用理想弹塑性本构模型，并考虑材料率相关效应，通过引入初始扭转角来反映地震动转动分量的影响，分析钢筋混凝土柱和剪力墙在引入初始角位移下的力学性能，结果表明：随着初始角位移的增加，构件的抗弯承载能力显著下降；构件的初始位移角越大，其力学性能受加载速率的影响程度越大；随着剪跨比的减小或轴压比的增加，扭转作用对墙体承载能力的影响程度显著提高。基于ABAQUS平台，采用开发的能够考虑材料应变率效应的钢筋、混凝土材料子程序，通过生死单元模拟梁单元的失效，建立了非对称结构的计算模型，并通过地震动转动分量弹性波动理论法给出两组天然波的地震动扭转分量，分析非对称结构模型在包含地震动转动分量条件下的结构连续倒塌过程，结果表明：结构底部剪力受地震动转动分量的影响不大，结构倒塌开始后地震动转动分量会加速结构倒塌。