钢筋混凝土抗震框架基于构件失效机理和变形特征的精细非线性模型

对钢筋混凝土框架的失效和倒塌进行有效模拟是抗震分析面临的困难，基于柔度法的纤维模型能正确模拟变轴力与双向弯矩的耦合作用、软化受力等强材料非线性。项目通过试验研究、理论分析，首先研究钢筋混凝土柱受力后期核心混凝土的横向膨胀变形规律及其对两层箍筋之间纵筋的再加载刚度退化规则、压屈失稳的影响。同时，通过纵筋失稳的理论分析，提出考虑混凝土横向膨胀、纵筋无支长细比、疲劳累积受力的改进钢筋本构模型；并结合纵筋失稳的分析结果提出同时考虑混凝土横向膨胀效应、箍筋约束效应的改进混凝土本构模型。最后，在程序中通过沿横向的变形协调、力平衡约束条件使混凝土纤维的横向膨胀与纵筋压屈失稳建立联系。此外，在构件端部增加零长度单元，将其嵌入纤维模型，在试验基础上取得更合理的纵筋应力-滑移滞回规律，形成能有效模拟柱根和节点内梁纵筋粘结滑移的纤维模型。研究目标是建立合理模拟构件后期受力特征、界面纵筋滑移的细化柔度法纤维模型。

对钢筋混凝土框架的失效和倒塌进行有效模拟是抗震分析面临的困难，基于柔度法的纤维模型能正确模拟变轴力与双向弯矩的耦合作用，但不考虑纵筋屈曲的钢筋本构模型将明显降低其受力后期的数值模拟精度。此外，梁端纵筋粘接滑移和节点剪切变形这两种节点区非弹性变形对钢筋混凝土梁柱组合体试件的弹塑性受力特征有明显影响，忽略节点区非弹性变形的计算结果会明显高估梁柱组合体的承载力和耗能性能，节点区非弹性变形的模型方法直接影响结构强非线性反应分析结果的合理性。本项目通过试验研究、理论分析，首先建立了能更方便、准确地模拟单根钢筋的屈曲受力特征的平均应力-平均应变钢筋材料本构修正模型，完成了数量较大的考虑屈曲影响的单根钢筋循环受力性能试验，并依据项目完成的试验结果对屈曲钢筋的修正材料模型的合理性进行了校核。在此基础上，通过对钢筋混凝土柱纵筋屈曲受力性能、核心混凝土横向膨胀效应的进行分析，提出了考虑混凝土横向膨胀、纵筋长径比、疲劳累积受力的改进钢筋本构模型。同时，经参数分析，进一步研究了钢筋混凝土柱受力后期核心混凝土的横向膨胀变形规律及其对两层箍筋之间屈曲纵筋的刚度退化、强度退化的影响。项目的第二个研究内容是模拟节点内梁纵筋滑移，在纤维模型的基础上，项目采用在非线性梁柱单元端部附加零长度截面单元的方法简便、有效地模拟了节点区非弹性变形。完成了6个柱端加载梁柱组合体试件的低周反复加载试验，重点分析了梁纵筋滑移、节点剪切变形的规律。基于39个钢筋混凝土中节点和12个边节点的纵筋滑移和节点剪切变形的实测数据的显著性分析及非线性拟合结果，建立了模拟梁端纵筋滑移的应力-滑移材料本构模型，以及可同时考虑梁端纵筋滑移和节点剪切变形影响的应力-等效滑移_剪切材料本构模型，并以多个不同节点参数的梁柱组合体试验为例，对提出的节点非弹性变形模型化方法进行了验证。此外，对OpenSees开发的“超级节点”模型（梁柱节点单元）的钢筋滑移分量材料模型骨架线的误差，以及该模型的适用性进行了分析。最后，完成了14根钢筋混凝土悬臂柱低周反复加载试验，重点量测了屈曲钢筋的横向挠度，考察了轴压比、箍筋间距（长径比）、纵筋屈服强度对柱纵筋屈曲性能的影响。以试验结果为基础，采用可以考虑屈曲、疲劳损伤的钢筋模型以及柔度法纤维模型对悬臂柱的滞回受力反应进行模拟并进行对比，研究了纵筋屈曲对柱峰值荷载后强度退化的影响规律。