采用起波钢筋局部削弱/增强的新型RC框架结构研究

Currently, there are two threats to the design of reinforced concrete (RC) frame structures. One is the difficulty of realizing the "strong column-weak beam" when the structure is subjected to seismic load. Another is the progress collapse caused by local failure due to the weak tie force of horizontal members. A novel RC frame structure with weakening / enhancing of kinked rebar is proposed in this project. The kinked rebar has a tensile load-deformation relationship with two plateaus. When the kinked rebar is located at the 1/4 span of the frame beams to weaken the local flexural capacity and enhance the deformation capacity, the "strong column-weak beam" will be realized in the RC frame, the seismic performance and the progressive collapse resistance are improved simultaneously without increasing cost as well. This study includes the following parts. For the dealing, the constitutive relation of the kinked rebar and its interactive effects to concrete and stirrups will be studied. For the member, the static and hysteretic behavior of the beam with the kinked rebar will be investigated. For the structure, the seismic performance and collapse resistance of the novel RC frame structure will be analyzed. The design approaches of the proposed frame structure will be built up based on the experiments, numerical simulations and theoretical analysis. This project aims to develop the design theory and solve the technological problems of RC frame structures, thereby improving the ability to withstand multi-hazard sources economically and effectively.

当前，钢筋混凝土（RC）框架结构面临两大挑战：在地震中“强柱弱梁”机制难以实现，由于水平构件拉结不足而产生局部破坏引起的连续倒塌。本项目提出了一种采用起波钢筋局部削弱/增强的新型RC框架结构：起波钢筋具有双台阶状的受力性能，布置在框架梁约1/4跨处，可使此处的局部抗弯承载力削弱但变形能力增强。此构造既能使框架实现“强柱弱梁”，又能在不显著增加造价的情况下同时提高结构的抗震性能和抗连续倒塌能力。将针对此进行一系列研究：①构造方面，研究起波钢筋本构及其与混凝土和箍筋的相互影响；②构件方面，研究起波钢筋梁的静力和滞回性能；③结构方面，研究新型框架结构的抗震和抗连续倒塌性能。将通过试验、数值模拟和理论分析，最终将建立采用起波钢筋局部削弱/增强的新型RC框架结构的设计方法。本项目力图发展RC框架结构的设计理论、解决关键技术难题，为结构抵御多灾害的能力提升提供经济有效的技术手段。

本项目原创提出了采用起波钢筋局部削弱（抗弯承载力）/增强（变形能力）的新型 RC 框架结构，通过一个较为简单的构造实现“一石二鸟”：既可实现“强柱弱梁”破坏模式，又能在不显著增加造价的情况下同时提高 RC 框架结构的抗震性能和抗连续倒塌能力。针对此新型RC框架结构，开展了一系列研究：（1）对起波钢筋开展了单轴拉压和往复拉伸试验，结果表明起波钢筋具有“双台阶”行为，变形性能好，并建立了起波钢筋单轴受力的三阶段本构模型和四折线本构模型；（2）对含起波钢筋的RC梁开展了拟静力试验，结果表明新型RC梁出现“双铰机制”，在钢筋起波处出现了塑性铰，且在大变形下具有较高的承载力，并揭示了不同参数对新型RC梁构件破坏模式的影响规律；（3）对含起波钢筋梁的RC框架子结构开展了拟静力试验和抗连续倒塌试验，结果表明新型RC框架子结构可实现“强柱弱梁”破坏模式，并具有良好的抗连续倒塌性能；（4）对新型RC框架结构开展了振动台模型试验，结果表明起波钢筋构造能有效改善框架结构的破坏模式，减轻其损伤，并提高其抗震性能和震后可恢复能力；（5）基于以上研究，提出了采用起波钢筋局部削弱/增强的新型 RC 框架结构的性能化抗震设计理论和方法。项目研究目标均已按研究计划完成，并取得了超出预期的成果：发表SCI论文8篇，获得2项发明专利授权，培养的1名博士生和1名硕士生获得清华大学优秀学位论文。本项研究为该新型结构在实际工程中推广应用提供了理论基础和技术支撑，得到了业内同行专家的高度评价，起波钢筋构造还被推广到防护工程抗爆抗冲击领域和钢结构领域。