（土木工程专业论文）钢筋粗合成纤维混凝土柱的抗震性能研究.pdf

独创性声明 肺ii i ii i ii iii i i ii iiii y 17 8 8 7 3 4 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕瘟王些盔堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 摘要 曼曼量曼曼曼曼皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼舅曼詈曼曼曼曼量曼i j _ mi 曼曼曼曼量曼! 曼曼! ! 曼! 曼曼曼皇曼笪! ! 量 摘要 为了提高底层大空间结构的抗震性能，本论文提出一种新型抗震体系在 底层柔性结构的底层框架采用钢筋粗合成纤维混凝土结构设计，底层周围或局部 位置布置钢筋粗合成纤维混凝土延性柱耗能器及大变形限位斜撑，以提高结构的 抗震耗能、控制损伤和耐久性能。混凝土延性柱耗能器由多根( 含单根) 高度约 为层高1 3 的混凝土延性柱和上下刚性支座组成，设置于刚度较小的楼层，利用 变形放大效应消耗更多的地震能量，从而减小主体结构的破坏。 本文通过对普通钢筋混凝土延性柱( r c c l ) 、钢筋粗合成纤维混凝土延性柱 ( r c c 2 ) 、密配箍筋钢筋粗合成纤维混凝土延性柱( r c c 3 ) 及对钢筋粗合成纤维混 凝土延性柱( r c c 2 ) 加大轴压模拟的框架柱( r c c 4 ) 进行低周反复水平荷载试验， 研究了在相同的剪跨比和相同的截面下，不同的纤维掺量、不同的配筋及不同的 轴压比情况下构件的耗能能力。 本论文得出以下结论： 钢筋粗合成纤维混凝土延性柱( 轴压比o 1 ) 裂缝分布较分散，数量较多， 裂缝宽度明显减小； 相同配筋，钢筋粗合成纤维混凝土延性柱延性增大，耗能能力增加，破 坏时塑性铰明显； 各构件滞回曲线都比较饱满，延性柱的后期承载力下降较缓慢，框架柱 ( 轴压比o 4 ) 下降较快； 相同纤维掺量，加密箍筋则构件延性增大，耗能能力增加； 相同配筋，相同纤维掺量，加大轴压比，构件承载力增大但延性减小； 各构件屈服后等效粘滞阻尼系数迅速增大，消耗地震能量的能力增大。 通过理论计算与试验比较研究，为今后钢筋粗合成纤维混凝土结构设计 提供了一定依据。 关键词：钢筋粗合成纤维混凝土；延性柱；框架柱；抗震性能 ) ) ) ) ) ) ) 1 2 3 4 5 6 7 ( ( ( ( ( ( ( m a c r o f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( r c c 2 ) ，m o r ed e n s ei nt h es t i r r u p sw i t hs y n t h e t i c m a c r o f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( r c c 3 ) a n df r o md u c t i l i t yc o l u m no fs y n t h e t i c m a c r o f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( r c c 2 ) t of r a m ec o l u m nb ym o r ea x i a lf o r c e ( r c c 4 ) a r et h es p e c i m e n sb yc a r r i e do u tt h ee x p e r i r n e n to ft h o s ef o u rs p e c i m e n st ot h e h o r i z o n t a lc y c l i cl o a d i n g ，i ti ss t u d i e dt h a tt h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo ft h es p e c i m e n w i t hd i f f e r e n tf i b e rc o n t e n t d i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tr a t i oa n dd i f f e r e n tr a t i oo fa x i a l c o m p r e s s i o nu n d e rt h es a m es h e a rs p a nr a t i oa n dt h es a m e s e c t i o n t h e p a p e rc o n c l u d e dt h a t ： ( 1 ) t h ed u c t i l i t yc o l u m n ( a x i a lc o m p r e s s i o nr a t i o ：o 1 ) w i t hs y n t h e t i cm a c r o f i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t eh a dm o r ed e c e n t r a l i z e dd i s t r i b u t e dc r a c k s ，m o r eq u a n t i t ya n d m o r en a r r o wc r a c k st h a nt h ed u c t i l i t yc o l u m nw i t hr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( 2 ) t h ed u c t i l i t yc o l u m nw i t hs y n t h e t i cm a c r o - f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eh a db e t t e r d u c t i l i t ya n dc o n s u m e dm o r es e i s m i ce n e r g yt h a nt h er e i n f o r c e dc o n c r e t eo n ew h e n t h e yh a v et h es a m er e i n f o r c e m e n tr a t i o ，m o r e o v e r , t h ef r i s t o n eh a dam o r ec l e a r p l a s t i ch i n g e ( 3 ) t h eh y s t e r e t i cc u r v eo f t h es p e c i m e n sw e r er e l a t i v e l yf u l l t h ef i n a lf o r c eo f t h ed u c t i l i t yc o l u m ns m o o t h l yd e c r e a s e d ，b u tt h ef r a m ec o l u m n ( a x i a lc o m p r e s s i o nr a t i o ：o 4 ) 一i i a b s t r a c t ( 4 ) d e c r e a s e i n gt h es p a c eo fs t i r r u pi n c r e a s e di t sd u c t i l i t ya n de n e r g yd i s s i p a t i o n c a p a c i t yw h e nt h e yh a v et h es a m ef i b e rd o s a g e ( 5 ) i n c r e a s i n gt h ea x i a lc o m p r e s s i o nr a t i o ，t h ec a r r y i n gc a p a c i t yi n c r e a s e db u tt h e d u c t i l i t yd e c r e a s e dw h e nm e yh a dt h es a m er e i n f o r c e m e n ta n df i b e rd o s a g e ( 6 ) a f t e rt h es p e c i m e n sy i e l d s ，e q u i v a l e n tv i s c o u sd a m p e rf a c t o ri n c r e a s e sr a p i d l y , e n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e s ( 7 ) w ep r o v i d e ds o m eb a s i sf o rt h es t r u c t u r a ld e s i g no fr e i n f o r c e dc o n c r e t e w i m s y n t h e t i cm a c r o f i b e rt h r o u g ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h k e y w o r d s ：s y n t h e t i c m a c r o f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，d u c t i l i t yc o l u m n ， f r a m ec o l u m n , s e i s m i cp e r f o r m a n c e i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 纤维混凝土的研究现状2 1 2 2 底层柔性结构减震控制研究现状。3 1 2 3 钢筋混凝土耗能器研究现状5 1 3 研究内容、目的及意义5 第2 章混凝土柱试验设计9 2 1 试验设计9 2 1 1 模型试验9 2 1 2 试件设计。9 2 1 3 试件制作顺序9 2 1 4 试件配筋图l o 2 2 材料力学性能11 2 2 1 钢筋的力学性能1 1 2 2 2 混凝土的力学性能1 2 2 3 试验方案13 2 3 1 试验方法1 3 2 3 2 试验装置1 4 2 3 3 加载控制15 2 3 4 测量内容及测点布置：1 6 2 4 本章小结18 第3 章试验结果及分析1 9 3 1 试验过程及试验现象1 9 ， 3 1 1r c c l 破坏过程及破坏形态1 9 3 1 2r c c 2 破坏过程及破坏形态2 3 3 1 3r c c 3 破坏过程及破坏形态31 北京工业大学工学硕士学位论文 3 1 4r c c 4 破坏过程及破坏形态3 8 3 1 5 破坏过程及破坏形态的对比4 4 3 2 构件的承载力实测结果及分析4 5 3 3 延性性能分析4 6 3 4 刚度衰减过程分析一4 7 3 5 滞回曲线4 8 3 6 骨架曲线5 0 3 7 等效粘滞阻尼系数。5 1 3 8 钢筋应变5 2 3 9 纤维及钢筋与混凝土的粘结一5 5 3 1 0 本章小结5 6 第4 章理论计算分析5 9 4 1 钢筋混凝土延性柱承载力计算5 9 4 1 1 钢筋混凝土延性柱水平承载力计算5 9 4 1 2 钢筋混凝土延性柱开裂荷载计算6 l 4 1 3 钢筋混凝土延性柱承载力计算结果与试验结果比较6 1 4 2 钢筋粗合成纤维混凝土柱承载力计算6 l 4 2 1 钢筋粗合成纤维混凝土柱水平承载力计算6 1 4 2 2 钢筋粗合成纤维混凝土柱承载力计算结果与试验结果比较6 2 4 3 模拟数值分析理论6 3 4 3 1 钢筋混凝土结构分析模型6 3 4 3 2 钢筋粗合成纤维混凝土结构分析模型6 5 4 4 模拟数值分析结果一6 6 4 4 1 骨架曲线6 6 4 4 2 裂缝发展情况6 8 4 4 3 钢筋应力发展情况6 9 4 5 本章小结一7 0 结论与展望7 l 参考文献7 5 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 9 致i 射81 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 地震是人类认识较早的地质灾害之一。据地震观测统计，每年世界上约发生5 万次地震，因此，地震也是十分常见的自然现象【l 】。地震除了给人类带来直接的巨大 经济损失和人员伤亡外，它所引起的次生灾害如水灾、火灾、海啸、有毒物质及 放射性物质泄漏等也带来了严重的灾难。地球每年平均发生的地震中，5 级以上 的破坏性地震约占1 0 0 0 次。地震通常给人类带来巨大的经济和财产损失。比如 1 9 7 6 年我国的唐山7 8 级地震造成2 4 万多人死亡；1 9 9 4 年美国北岭7 1 级地震 造成6 7 人死亡；1 9 9 5 年日本阪神淡路7 3 级地震造成6 4 0 0 多人死亡；1 9 9 9 年台 湾集集7 6 级地震造成3 0 0 0 多人死亡；2 0 0 8 年5 月我国的8 0 级汶川地震，造成 6 万多人死亡，1 万多人失踪；2 0 1 0 年4 月1 4 日我国的青海省玉树7 1 级地震， 造成2 0 0 0 多人死亡，这些地震造成的损失绝大多数是由于建筑物倒塌引起的。 调查研究发现，良好的抗震设计和必要的防震措施可以有效地减少地震带来的灾 难性后果。如2 0 0 3 年5 月发生在阿尔及利亚的6 7 级地震，造成3 0 0 0 多人死亡 及下落不明，损失惨重，而同时发生在日本的7 级地震却是零死亡。由此可见， 可靠的建筑结构抗震设计是减少地震灾难的关键。 随着人e 1 的增加和现代化大都市的高密度发展，加上人类自身对环境的影响 和破坏，地震灾害程度也日趋严重。我国是多地震国家，8 0 以上的城市位于地 震区。由中国国家地震局地球物理研究所网站自1 9 9 4 年1 月到2 0 0 5 年2 月所公 布的地震目录可见，震级为4 级以上地震，共计9 6 6 次f i 】。而现在城市建设的主体材 料还是钢筋混凝土，这些在城市建筑中大量采用的钢筋混凝土结构特别是使用功 能优越的底层大开间柔性结构的抗震性能不得不令人关注。钢筋混凝土底层柔性 框架结构建筑其上部作为住宅、办公用房，下部作为商业用房，具有优越的使用 功能，市场需求量很大，调查已建建筑，也可发现这种建筑大量存在。由于在地 震作用下这种结构体系的底层变形大，因此，这种结构体系的破坏形式大多由于 底层破坏而导致结构整体倒塌，多次地震震害都表明这种结构体系的这一致命弱 点。因此，一些国家如中国和日本对这种结构体系在地震区的使用采取了一些限 制措施。但这些限制很大程度上影响了这种结构的使用功能，进而限制了它的发 展。另一方面，通过调查研究发现，采用合理的设计方法和施工措施，是可以保 证结构在大震时的变形能力，即在变形耗费地震能量的同时保持建筑的整体不坍 塌。可以说，这种结构在地震中发生严重破坏的主要原因还是对这种结构形式的 研究不够，对结构延性和耗能能力的设计不足或施工质量不良所引起的。因此目 北京工业大学工学硕士学位论文 前中日规范分别对其限制过严也缘于研究成果的不足。 对于一般性建筑，应用传统的被动减震控制技术，如设置阻尼器等特殊构件， 消能效果虽然显著，但仍需要专门的设计分析以及维护，造成费用居高不下。而 一般来说，提高结构的抗震性能是与经济发展水平分不开的，要使建筑物在强烈 地震后安然无恙，不仅在技术上有一定困难，而且势必大大增加工程投资。考虑 到强烈地震灾害具有发生频率低、破坏力大和不确定性高的特点，寻找一种不是 对底层柔性框架结构妄加限制，而是对其优越的使用功能影响较小，又能大幅度 提高其抗震能力且投资不需大幅度提高的抗震体系，是一条明智的途径。开发既 适应这些特点又经济实用的抗震新体系是适合我国国情的。 有研究表明，钢筋混凝土结构经合理设计可具有相当好的延性，而合成纤维 混凝土是近几年国际上十分关注的热点问题，它能有效的改善混凝土性能，特别 是在增强混凝土的韧性和减少塑性收缩方面有十分独特的作用。粗合成纤维是一 种新型增强增韧材料，在建筑上的应用局面急需打开。有鉴于此，本课题提出在 底层柔性结构的底层或柔性转换层中框架采用钢筋粗合成纤维混凝土结构，周围 或局部位置布置钢筋粗合成纤维混凝土耗能器及大变形限位斜撑一起组成柔性 结构的抗震体系( 如图1 1 ) 。 a ) 耗能器应用于结构b ) 耗能器与限位斜撑组合应用 图1 1 ：结构新抗震体系钢筋粗合成纤维混凝土结构 f i g1 1t h ei d e ao f t h es e i s m i cs t r u c t u r a ls y s t e m - r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r a lw i t hs y n t h e t i c m a c r o f i b e r 1 2 国内外研究现状 1 2 1 纤维混凝土的研究现状 纤维混凝土的发展始于2 0 世纪初，其中以钢纤维混凝土研究的时间最早、应 用的最广泛。纤维混凝土真正应用于工程研究，是在经过5 0 年后的2 0 世纪6 0 年代 第1 章绪论 初期。1 9 6 3 年，美国的j p r o m u a l d i 等发表了钢纤维约束混凝土裂缝发展机理的研 究报告，首次提出了纤维的阻裂机理( 或称纤维间距理论) ，才使这种复合材料 的发展有了实质性的突破【2 1 。合成纤维混凝土是近几年国际上十分关注的热点问 题，它能有效的改善混凝土性能，特别是在增强混凝土的韧性和减少塑性收缩方 面有十分独特的作用。直径细的合成纤维通常用于阻止混凝土的早期塑性开裂， 且效果十分有效，但对于后期混凝土的韧性和抗裂性改善很小【3 j 。合成纤维混凝土 的裂缝分散性、阻裂性、延性及耐久性，特别是近年发展起来的粗合成纤维( 直 径 o 1 m m ) 混凝土，由于掺量大，以上性能得到进一步加强【4 l - 4 2 。粗合成纤维 是一种新型增强增韧材料，随着合成工业的不断发展，有望在众多工程领域，特 别是环境恶劣的构件中代替钢纤维。邓宗才【】等对粗合成纤维的不同种类及其 特点进行了试验分析，且对粗合成纤维混凝土的冲击特性和抗弯韧性分别进行性 能分析，得出粗合成纤维混凝土适宜掺量。刘铁军、梁超锋、欧进萍【7 j 对混凝土 中掺入纤维和胶粉后的混凝土梁进行了研究，得出纤维和胶粉的掺入均可改善混 凝土材料的阻尼性能。目前，钢纤维混凝土在土木工程中的应用和理论研究已经 比较成熟，我国于1 9 9 2 年正式颁布了钢纤维混凝土结构设计与施工规程p j ， 新版本的纤维混凝土技术规程1 9 1 力h 入了合成纤维的有关内容，但仍以钢纤维 为主，且鉴于粗合成纤维在国内尚无应用，规范中的合成纤维只是针对细合成纤 维而言，粗合成纤维的设计和施工到目前为止仍没有条文可借鉴。 目前，国内外对于合成纤维混凝土，特别是粗合成纤维混凝土这种新型材料 的抗震性能的研究，才刚刚起步。但可以预见，这种新型的高性能材料在不久的 将来，在结构抗震领域必将有广阔的发展前景。 1 2 2 底层柔性结构减震控制研究现状 提高结构抗震性能的传统方法主要是提高结构的强度和延性等，以主体结构 抵抗地震及吸收地震能量，如今，结构振动控制技术在结构抗震领域取得了长足 的发展，它可以有效的减轻结构在地震作用下的反应和损伤，有效的提高结构的 抗震能力和防灾能力，是对抗地震的有效措施之一。大体上来说，结构振动控制 技术分为基础隔震、被动消能减震、主动和半主动控制以及近年束发展起来的智 能控制。这些控制技术在多高层建筑和高耸建筑中得到较多研究和应用【l u 1 3 j 。其 中，被动消能减震结构因为减震效果好、构造简单、造价低、适用范围广、维护 方便等特点越来越受到国内外学者的重视。各种不同形式的耗能器、阻尼器已被 研制出来，其中不少已应用于新建工程或维修加固工程，取得了良好的经济效益。 比如我国宿迁市交通大厦采用粘弹性阻尼器，在结构满足承载力和变形要求的同 时，节约了主体结构造价约l o 【l4 1 。北京站等的改造加固工程也采用了阻尼器 一3 一 北京工业大学工学硕士学位论文 作为抗震耗能要素。 在地震作用下，柔性底层结构体系的变形主要集中在底层，上部结构层间相 对变形一般较小，大多处于弹性范围内。因此，柔性底层对上部结构的地震损伤 起到了保护作用。为了利用底层柔性结构体系的优点，防止柔性结构在地震中由 于变形过大而造成破坏，国内外进行了一系列研究。高小旺【1 5 】等提出在底层采用 带边框开竖缝的低矮钢筋混凝土抗震墙，使其变形和耗能能力大为提高；隋杰英 6 j 等在底层大开间上部5 层住宅的6 层商住楼采用了粘弹性阻尼器的控制设计，耗 散输入的振动能量，从而减小结构的振动反应；刘季、李慧【 1 8 】等对底层柔性结 构提出采用液压质量系统( h m s ) 或液压阻尼系统( h d s ) 进行消能减震，一部 分振动能量传递给了h m s 或h d s 系统，降低了5 0 地震反应得效果，使结构的振 动减小；欧进萍、邱法维【1 9 】等提出用钢管混凝土柱作为底层耗能柱、用承重墙和 隔震器控制底层倒塌破坏的耗能隔震柔性底层组合结构体系；孙树民【2 0 】对底层 柔性结构提出利用可控开关阀液压装置实现主动变刚度阻尼的抗震控制方法；阎 维波【2 l j 提出采用高延性混凝土制成耗能器耗能，并辅设大变形限位斜撑共同组成 底层结构的耗能限位抗震体系；马华、铃木计夫等【冽对底层柔性结构采用高延 性钢筋混凝土柱与预应力钢棒来耗能和控制底层的变形并成功应用于实际工程。 这些研究各有所长，对提高底层柔性结构的抗震性能都有一定的效果。 国内外对于提高混凝土结构及构件自身延性性能的研究成果较多，梁书亭， 丁大钧，姜维山等 2 3 - 2 5 】进行了复合箍筋及x 形配筋高强混凝土短柱抗震性能试验 研究，提出了有关计算公式；丁大钧【2 7 】等进行了设有普通钢筋混凝土、钢支撑、 混凝土支撑及塑性耗能支撑四种型式的框架模型试验研究；李忠献【2 8 】等用分体柱 改善r c 框架的延性，进行了模型试验研究；王来等【2 9 】进行了低周反复荷载下方 钢管混凝土框架抗震性能的试验研究；袁万城【3 0 】等进行了在反复荷载作用下高强 约束混凝土柱的试验，比较了高强混凝土柱与普通强度混凝土柱延性的差异；张 国掣3 l j 等进行了轴压比为0 8 ，砼强度为c 8 0 的短柱抗震性能试验研究，分析了箍 筋形式及配箍率对构件延性的影响；孙玉平【3 2 】等进行了剪跨比为2 5 、边长为 2 5 0 m m 的方形钢筋混凝土柱的抗震性能试验研究等；吕西林【3 3 】等通过对承受常轴 力和反复水平荷载作用的方钢管混凝土柱试件的试验，研究了不同试验参数，如 宽厚比、轴压比和内填混凝土强度对试件抗震性能的影响。 钢筋混凝土结构特别是约束混凝土的发展，提高了混凝土构件的延性和耗能 能力。高延性钢筋混凝土柱的变形能力能达到1 2 0 , - , 1 1 0 ，超高延性钢筋混凝土柱 的变形能力可以达到l 5 1 2 以上【3 4 彤】，这为我们直接采用高延性钢筋混凝土材 料作为耗能结构提供了理论及实践基础。另一方面，钢筋混凝土主体结构柱变形 能力的提高，也为在钢筋混凝土结构中采用消能减震结构扩展了发展空间。 第1 章绪论 1 2 3 钢筋混凝土耗能器研究现状 在传统观念中，提高结构抗震能力主要靠提高结构构件本身抗震能力，即加 强结构如加大截面加大配筋等，但既不经济也不适用。新的抗震思路的出现，拓 展了人们的思维，改变了原有的抗震形式，提出了新的耗能减震形式，如曹万林、 王光远【4 3 讲1 等在底层柔性结构底层加设支撑，有效地控制底层的侧移，遵循“强 梁弱支撑”的设计原则，将所设支撑作为第一道抗震防线，消耗地震能量，减少 主体结构破坏，从而达到提高结构抗震能力的目的；如高小旺、武藤清、宗兰等 提出在底层柔性结构底层设置一定数量的开竖缝剪力墙，使剪力墙由受剪切破坏 变为受弯剪破坏，以提高墙体的变形和耗能能力【4 5 4 7 】；李惠、徐强等提出在剪力 墙中间断开以钢管混凝土柱联系，利用钢管混凝土柱优越的变形能力消耗地震能 量，从而减少结构的地震反j 立【4 8 】；曹万林、张建伟等研究了普通剪力墙基础上加 设暗支撑或开竖缝剪力墙基础上加设暗支撑，得到使其延性、耗能和后期刚度等 均有明显提高( 4 9 - 5 川；高延性混凝土柱是指在柱的塑性铰范围内加密箍筋甚至箍筋 间距为零的具有高延性、高恢复力特性的钢筋混凝土柱，将其应用到底层大空间 结构的柱中，另外，高延性钢筋混凝土柱与预应力筋斜撑联合应用，可以进一步 提高结构受水平力后的恢复能力，减少残余的变形【5 l - 5 3 】；福山洋 跏等研究了在 底层大空间结构中加设钢管混凝土附加柱用于加固耗能，通过理论分析可以有效 地减少底层层间最大位移。 目前对于钢筋粗合成纤维混凝土耗能器的研究还未见研究报告，日本的 o b a y a s h i g u m 公司对钢筋混凝土短柱耗能器进行了研究并应用于高层钢筋混凝土 结构【3 6 - 4 0 ) ，闰维波对钢筋混凝土耗能器及限位斜撑抗震体系进行了研究【2 。 1 3 研究内容、目的及意义 本文提出在底层柔性结构的底层框架采用钢筋粗合成纤维混凝土结构设计， 底层周围或局部位置布置钢筋粗合成纤维混凝土耗能器及大变形限位斜撑一起 组成底层柔性结构的抗震体系。其特点如下：1 ) 在中小地震作用下，以底层耗 能为主，充分利用柔性底层的隔震作用减小上部结构的地震输入；2 ) 底层钢筋 粗合成纤维混凝土耗能器与钢筋粗合成纤维混凝土框架柱共同耗能，以耗能器耗 能为主：3 ) 在超大地震作用下底层变形超出设计范围时，限位斜撑发挥限位功 能( 在设计变形范围内限位斜撑不工作) ，为底层提供抗侧刚度和承载力，防止 结构倒塌，这时一部分地震能量可以由上部结构分担；4 ) 钢筋粗合成纤维混凝 土耗能器、斜撑材料与主体结构相同，震时耗能、防倒塌，平时发挥围护结构的 功能；5 ) 钢筋粗合成纤维混凝土不仅延性好、阻裂性好、耗能好，而且耐久性 北京工业大学工学硕士学位论文 好，可大大提高结构的使用寿命。因此，本项目提出的损伤控制型底层柔性钢筋 混凝土结构耗能限位抗震体系既提高了震时结构耗能、防倒塌的抗震性能，又 大大提高了结构的耐久性。 本文通过对普通钢筋混凝土延性柱、钢筋粗合成纤维混凝土延性柱及对延性 柱加大轴压模拟的框架柱进行低周反复水平荷载试验，对其耗能能力进行研究， 并通过对其材性试验，滞回曲线、延性系数、刚度衰减、骨架曲线、等效粘滞阻 尼系数等参数进行比较分析，得出钢筋粗合成纤维混凝土耗能器的滞回曲线模型 及耗能特性。 混凝土延性柱耗能器由多根( 含单根、双根，多为3 5 根) 高度约为层高的 1 3 的混凝土延性柱和上下刚性支座( 将多根延性柱刚性连接在一起) 组成。延 性柱位移角为延性柱的侧移比延性柱的高，结构层间位移角等于层间位移与结构 层高的比值，由于支座的刚性，延性柱的侧移等于结构的层间位移，延性柱的位 移角是层问位移角的3 倍，即混凝土延性柱耗能器将结构的变形放大，当层间位 移角较小时，混凝土延性柱耗能器的位移角较大进而可以消耗更多的地震能量， 从而减少主体结构的损伤。如图1 2 所示为耗能器位移与层间位移关系。 钢筋粗合成纤维混凝土耗能器按延性柱或短肢墙形式设置于底层大空间柔 性结构的底层基础与梁之间，亦可放置于高层建筑的各层梁之间，利用变形放大 的效应来消耗地震能量，达到消能减震的目的，避免结构本身因变形过大而倒塌 等严重后果的发生。也可以采用钢筋粗合成纤维混凝土限位斜撑与混凝土耗能器 联合使用( 图1 - 3 ) ，在超大地震作用下作为第二道抗震防线发挥限位作用，有效 控制结构在地震作用下当结构层间位移超过设计限值时的变形，防止结构因过大 的水平变形而倒坍，且布置较为灵活，对房屋的使用功能影响较小，既可以现场 与主体一起浇筑，也可工厂预制现场安装，并且在强震后便与维修和更换，因此 图1 2 延性柱耗能器位移及层问位移 f i g1 - 2t h ed i s p l a c e m e n to ft h ed a m p e ra n ds t o r yd i s p l a c e m e n t 一6 一 一7 一 第2 章混凝土柱试验设计 第2 章混凝土柱试验设计 底层大空间柔性结构由于其优越的使用功能，市场需求很大，但由于底层过 大变形而造成的地震破坏严重甚至倒塌现象，在已往的地震灾害中也屡见不鲜。 为深入研究钢筋粗合成纤维混凝土的抗震性能，在本课题的研究中设计并制作了 四个试件，分别进行低周反复荷载试验，分析试件的破坏特征和耗能能力，为钢 筋粗合成纤维混凝土结构的应用提供依据。 2 1 试验设计 2 1 1 模型试验 通过对前人基于复合箍筋、x 形主筋、内部增强约束管、纤维混凝土、钢管 混凝土、型钢混凝土等高性能约束混凝土柱的研究进行调查及分卡斤【2 3 3 3 】，结合本 课题已完成的高延性混凝土柱的拟静力加载试验，并考虑构件截面形状、轴压比、 剪跨比等因素对延性柱抗震性能的影响，选择相同剪跨比前提下，柱不同配箍率、 不同轴压比、不同纤维掺量的混凝土柱作为本试验研究对象。为此，本次试验共 设计了4 个足尺的混凝土柱试件，进行了拟静力试验。 2 1 2 试件设计 取延性柱从反弯点到柱下端固定端部分作为试件基本模型。延性柱为非承重 结构，不承担主体结构的竖向荷载，但由于施工等原因可能承受小部分竖向荷载， 故轴压比定为o 1 ，为了更好地把钢筋粗合成纤维混凝土应用于主体结构，我们 对所选用的延性柱构件通过加大轴压比为o 4 来模拟承重结构框架柱，如图2 1 。 支座设计为刚性支座，柱按强剪弱弯构件设计。由于延性柱为短柱，剪跨比一般 叟，框架柱剪跨比一般2 ，所以该试件剪跨比取为2 。此外，为了比较掺纤维后 的混凝土性能变化，本试验亦设计了不掺纤维的混凝土延性柱试验。试件编号及 类型见表2 1 。 2 1 3 试件制作顺序 试件实际制作过程如下所述：首先绑扎刚性支座的钢筋，然后绑扎柱的钢筋， 最后将二者组合支模板。由于延性柱配筋比较密，为了保证浇筑质量，平躺浇筑。 一9 一 北京工业大学工学硕士学位论文 卜 j l 一 。_ 加大轴压 胗笮 亡 l r 模拟框架柱 1 试 图2 - i ：试件示意图 f i g2 - 1t h es p e c i m e n 表2 - 1 ：试件编号和类型 t a b l e2 - 1s p e c i m e n c o d i n ga n dc a t e g o r y 数 编号参数1 参数2参数4参数3且 备注 里 延性柱 r c c l 无纤维 柱箍筋 8 0 剪跨比x = h h o = 2轴压比0 1 l 无纤维 掺纤维 延性柱 r c c 21 0 柱箍筋 8 0 剪跨比x = i - i h o = 2 轴压比0 1l k g m 3 掺纤维 掺纤维 延性柱 r c c 3 1 0 柱箍筋 5 0剪跨比a , = h h o = 2 轴压比0 1 1 纤维密 k g m 3箍 掺纤维 框架柱 r c c 4 1 0 柱箍筋 8 0 剪跨l l x = l - i h o - - - 2 轴压比0 4 l 纤维高 k g m 3轴压 1 5 0 x1 5 0 5 5 0 抗折强度试验三分点法 c z h o l 0 33 1 5 0 1 5 0 5 5 0静力受压弹性模萤试验c t 0 l 0 33 无纤维 1 5 0 x 1 5 0 x5 5 0轴心抗压强度试验c z o l 0 33 材性 1 5 0 1 5 0 5 5 0 立方体抗压强度试验 c y 0 1 0 33 1 5 0 1 5 0 5 5 0 劈裂抗拉强度试验 c p - ol 旬3 3 试验 内容 1 5 0 x1 5 0 5 5 0 抗折强度试验三分点法 f c z h - 0 l 0 33 掺纤维 1 5 0 1 5 0 5 5 0静力受压弹性模量试验f c t - 0 1 0 33 1 01 5 0 1 5 0 5 5 0轴心抗压强度试验f c z - 0 l 0 33 k g m 3 1 5 0 1 5 0 x5 5 0 立方体抗压强度试验 f c y d l 0 33 1 5 0 x1 5 0 5 5 0 劈裂抗拉强度试验 f c p 0 l 旬33 2 1 4 试件配筋图 试件r c c l 、r c c 2 和r c c 4 配筋图如图2 2 ，r c c 3 配筋图如图2 3 。 一1 0 一 第2 章混凝士柱试验设计 加蓑锕板 卜电。 1 0 0 8 0 冈? 一4 h 曲胁i 气f 删氍阻i i 卜 o n 、o 申1 0 0 7 0 帚环、 4 堂2 0 - r l 、| 0 l l 1 f 2 虫2 0隔。； 一世 _ 【 。 一 二lj i l 、叁 m硼 ri r l 二 l _ f i i。互 4 空1 6 j l i | u | i l l 、心j i ， -1 4 0 0-4 0 0 “沂山了她1 6 ” 图2 2 ：r c c l 、r c c 2 、r c c 4 配筋图 f i g 2 2r e i n f o r c e m e n ta r r a n g e m e n td i a g r a mo fr c c 1 、r c c 2 、r c c 4 加蓑铜板 l k 大学工学硕士学位论文 第一循环正向加载至6 0 k n 时，构件柱面4 上发现9 条细微水平裂缝，分别为 4 c m 高处长约8 c m ，8 c m 高处长约1 4 c m 和1 0 c m ，1 4 c m 高处长约1 3 c m ，2 2 c m 高处 长约2 5 c m ，其它几条较短；面1 上出现4 条细微水平裂缝，分别为2 c m 高处长约 2 0 c m ，1 4 c m 高处长约6 0 m ，2 8 c m 高处长约7 c m ，3 5 c m 高处长约5 c m ；面2 上出现 2 条水平缝，分别为2 c m 高处长约2 4 c m ，2 3 c m 高处长约8 c m 。负向加载5 0 k n 时 发现细微水平裂缝，面3 上2 c m 高处基本形成贯通缝，1 5 c m 高处基本形成贯通缝， 2 2 c m 高处长约2 c m 缝，2 8 c m 高处长约5 c m 缝；面l 上2 c m 高处基本形成水平通缝； 面2 边部形成2 条水平短缝。裂缝比较分散，数量较多。 第二循环正向加载至7 5 k n ，面4 受拉面新出现几条新的细微水平裂缝，如图 3 6 ；面l 剪切面又出现几条细微的新水平缝。负向加载至7 0 k n ，各面上裂缝有 所加长，宽度没有增加。 第三循环正向加载至9 0 k n ，负向加载至9 0 k n ，在此加载过程中，各面上 裂缝发展缓慢。 第四循环正向加载至1 2 0 k n ，推拉面4 上7 c m 、1 4 c m 、2 2 c m 高处缝有所加宽 ( 约头发丝粗) ；面l 上出现几条细微短小的斜裂缝，原有裂缝有所加宽；面2 上 左侧1 3 c m 高处开始产生斜裂缝，长约1 5 c m ，如图3 7 。负向加载至1 2 0 k n ，面1 上 出现2 条细水平裂缝，分别是左边缘高1 4 c m 、2 2 c m 处开始长约8 c m ：面3 上1 5 c m 高处长约3 c m 水平缝，2 3 c m 高处长约1 0 c m ，如图3 8 。该循环中，裂缝发展宽度 缓慢，数量有所增加。 图3 6r c c 2 面4 裂缝( 7 5 刚) f i g 3 - 6r c c 2c r a c kp a t t e r ni nt h ea r e a4 图3 7r c c 2 面2 裂缝( 1 2 0 k n ) f i g 3 - 7r c c 2c r a c kp a t t e r ni nt h ea r e a2 2 4 第3 章试验结果及分析 a ) r c c 2 面2 裂缝( - 1 2 0 k n ) c ) r c c 2 面2 裂缝( 1 2 0 k n ) 图3 8r c c 2 面上裂缝 f i g 3 - 8r c c 2c r a c kp a t t e r ni nt h ea 戏勉 b ) r c c 2 回3 裂缝( - 1 2 0 k n ) 第五循环正向加载至1 4 0 k n ，推拉面4 上新出现几条短小的细微水平裂缝。面1 上新出现一些细微的剪切裂缝。负向加载 至1 4 0 k n ，面l 和面2 上新出现一些细微剪 切裂缝；面3 上出现2 条细微水平裂缝，如 图3 9 。该循环中，裂缝发展缓慢。 第六循环正向加载至1 5 5 k n ，认为进 入屈服，面4 与面2 交接部分4 c m 高处 出现长约5 e m 宽约l m m 的缝；面l 出现2 条 新细缝；面2 上出现一些细微缝，支座上 出现l 条细裂缝。负向加载至1 5 5 k n ，认 为进入屈服，面l 出现2 条细剪切裂缝，柱根部l c m 高处缝加宽至0 5 m m ，其它原 有缝未加宽；面3 上2 c m 高处横缝加宽至约0 5 m m ；面2 柱根部缝加宽至约1 m m ； 如图3 1 0 。该循环中，裂缝发展缓慢。 第七循环开始位移控制，正向加载位移为1 2 m m ，在加载至1 2 m m 时有纤维断 裂的声音，推面4 柱根部缝加宽至约1 5 m m ，高8 c m 处加宽至约0 5 m m ；面l 柱 根部l e n a 高处缝加宽至约l m m ；面2 和面4 交接5 c m 高处缝加宽至约2 m m 。负向 加载位移为1 2 m m ，在加载至一1 2 m m 时有纤维断裂的声音，面2 和面3 交接4 c m 高处缝最宽增至约3 m m ；拉面3 右t 贝m 3 c m 高处裂缝加宽至约2 眦；如图3 1 l 。在 此过程中，构件承载力继续上升，达到其最大承载力。 第八循环重复第七循环，过程中听见声音。 第九循环正向加载位移至1 9 m m ，面l 左角根部高4 c m 范围内混凝土有少许 剥落现象，右边缘2 c m 高处和8 c m 高处裂缝宽度分别加宽至约l m m 和2 m m ，8 c m 高处剪切斜裂缝长约2 5 c m ，其它缝发展不大；面4 柱根通缝加宽至约4 m m ，8 c m 高处水平贯通缝加宽至约3 5 m m ，其它缝发展不大；面2 上5 c m 范围内缝发展， 其它缝发展不大。负向加载位移至1 9 m m ，面2 上5 c m 高范围内缝最大宽度约为 5 m m ，细剪切裂缝形成贯穿；面1 上5 c m 高范围内，缝从左边缘根部开始延伸到 一2 5 北京工业大学工学硕士学位论文 a ) r c c 2 面2 裂缝( 1 4 0 k n ) c ) r c c 2 面2 上裂缝( 1 4 0