文摘
本文旨在调查重力负载崩溃的行为极度贫穷循环荷载下钢筋混凝土柱质量。这样列通常是由当地居民和可能不符合任何标准设计的。这是发现他们的混凝土强度可能会低至5 MPa和纵向钢筋的数量可能会低于1%。这种类型的列是故意被定义为“nonengineered钢筋混凝土柱”,或NRCC。在地震过程中,重力负载NRCC列的崩溃引起了全世界大量的死亡人数。在这项研究中,四列代表现有NRCC循环荷载下进行了测试。混凝土的抗压强度为5 MPa是用来代表列用混凝土质量差。两个轴向载荷水平的6和18吨被用来研究最大轴向载荷水平漂移的影响在重力负载崩溃。探讨酒吧类型对漂移的影响能力,9毫米圆棒是用于两个标本和12毫米变形钢筋用于其余的标本。最大漂移在重力负载崩溃非常依赖于轴向载荷水平。 The maximum drift of the specimens subjected to high axial load (18 tons) was extremely low at approximately 1.75% drifts. The use of deformed bars (associated with larger amount of longitudinal reinforcement) caused the damage to severely dissipate all over the height of the columns. Such damage caused columns to collapse at a lower drift compared to those using round bars. Finally, the plastic hinge model was used to predict the maximum drift of the low strength columns. It was found that the model overly underestimates the drift at gravity load collapse.
1。介绍
在几个几十年来,地震工程研究已经进行更好地理解结构行为严重的地震。为了防止结构性破坏或倒塌在强烈的地震激励下,结构设计使用延性钢筋混凝土结构的详细调查[1- - - - - -5]。对于现有的或旧建筑,许多加强包装结构等方法使用碳纤维增强聚合物(CFRP) [6- - - - - -11),钢铁鞭打,屈曲约束支撑(BRB)已经开发12- - - - - -15]。大部分的设计方法,加强技术开发在过去几十年被发现是非常有效和实验证明能够防止建筑物倒塌强烈地震(16]。如果地震研究和开发的结果可以实际应用,从世界各地的地震死亡人数的数量应该显著降低。然而,在2008年四川大地震等地震(17),2010年海地地震,死亡人数超过200000人的总数(18]。倒塌的建筑图所示1。
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大量死于地震暗示当前地震工程学知识不是有效地适用于这些地区的结构(19]。
这些地区的结构被发现是简陋和不符合设计标准,如图2。由当地居民使用材料或结构钢筋详细低于设计标准可以归类为“nonengineered结构。“在这项研究中,最感兴趣的列。这种类型的列定义为“nonengineered钢筋混凝土柱”,或NRCC。这些结构很容易地震。值得注意的是,有数量非常有限的研究地震下这种结构的抗震性能。这些结构的建设成本极低,因此任何可用的加强方法被认为过于昂贵几乎用于改造这些结构。
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有效地经济和改造这些结构,结构在地震下的行为之前应该研究开发一个适当的加强方法(24]。因此,在这项研究中,四列标本的行为代表nonengineered列,或NRCC,研究其抗震性能进行了测试。重力负载机制和崩溃的行为是最感兴趣的。测试设置和测试结果将在下一节中讨论。
2。实验程序
2.1。试样
四列标本(12 l - 0.2, 12 l - 0.6, 9 l - 0.2和9 l - 0.6)作为原型的代表5 MPa的列与低强度混凝土循环荷载下进行了测试。有人指出来控制混合的比例低混凝土强度5 MPa是非常困难的。因此,混凝土强度在测试日期可能会有所不同从3.8到5.4 MPa。混凝土的混合属性的摘要如表所示1。所有标本200×300毫米截面的高度1250毫米。研究酒吧规模对其抗震性能的影响,4-DB12作为纵向钢筋的两列同时4-RB9是用于休息。所有标本的横向配筋率很低0.1%左右。90°钩如图3在所有的标本。纵筋屈服强度470 MPa, 354 MPa DB12 RB9,分别。箍筋的屈服强度511 MPa。测试样本的属性包括强化详细说明如表所示2。
2.2。测试设置
轴向载荷应用和维护使用液压千斤顶,而横向荷载应用使用一个致动器与50 kN承载能力。位移控制模式,如图4 (b)在这个测试。列将被推到目标漂移两次以确保滞后循环稳定之前增加漂移后续周期。测试设置如图4(一)。低强度混凝土柱的漂移率是由弯曲,产生渗透和剪切组件可以使用应变仪测量和线性变量位移传感器(线性)。十二个应变仪安装在钢筋上测量纵向和横向压力。讨论所有传感器的测量目前正在准备和在未来将进一步报道。本文中突出显示的主题的重力负载容量NRCC列。这些列的轴向崩溃行为是最感兴趣的,因为这将大大影响的生命损失。因此,测试框架如图4(一)是专门设计能够在测试期间保持轴向载荷。测试时没有终止侧阻力下降了20%的最大横向力典型循环负载测试。除了这个点和终止执行的测试是只有当不能保持轴向载荷。在该测试中,轴向位移的提示列用线性测量以重力负载崩溃之前,轴向缩短行为监控。
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3所示。裂纹图形结果
3.1。外侧漂移在1.5%
所有列的裂纹模式漂移1.5%标本图所示5。裂纹在所有列的模式非常相似,由弯曲裂缝。裂缝和改变剪切裂纹传播模式在中心线附近的列。显然发现裂缝被广泛传播到500毫米的基列使用DB12纵向钢筋(12 12 l - l - 0.2和0.6)。然而,对于列使用RB9 (9 l - 0.2和9 l - 0.6),附近的裂缝是有限的根据地。因此,可以得出结论,裂纹位置的纵向钢筋类型相关。使用纵向钢筋的预应力钢筋NRCC可能导致广泛的裂纹沿柱高度。相比之下,裂缝在塑性铰的位置似乎是有限的圆棒。轴向载荷水平也有显著影响裂缝模式。从图5,观察封面剥落在高轴向载荷列(9 l - 0.6和12 l - 0.6)。前几个周期的混凝土保护层剥落崩溃可能导致纵筋扣导致列在一个非常低的漂移。
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3.2。外侧漂移在崩溃
1.5%漂移后,测试一直在进行,所有列的横向漂移增加到下一个目标漂移,直到崩溃阶段。崩溃在这项研究中,被定义为漂移的列不能维持其重力负载。当漂移增加,现有的裂缝传播到中心,增加裂缝的大小和长度。图6显示了裂纹模式崩溃和故障模式的所有测试列。
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四列标本的失败模式明显不同。然而,有两种主要模式。第一种模式是混凝土沿柱高度分裂,列的失效模式中观察到12 12 l - l - 0.2和0.6,如图6(一)和6 (b)。在这些列,倾斜的剪切裂缝是由于发起大应用最大剪切力(相比9 l - 0.2和9 l - 0.6)与大数量的纵向酒吧。剪切开裂后,纵向观察酒吧屈曲。最终,列在重力负载下失去了完整性和崩溃的漂移4%和1.75%列12 12 l - l - 0.2和0.6,分别。第二个模式是混凝土破碎在塑性铰区域观察到的故障模式列9 l - 0.2和9 l - 0.6,如图6 (c)和6 (d)。在这些列,弯曲裂缝附近柱基发起的。裂缝没有传播通过柱的高度,但仅限于塑性铰区域。最终,混凝土分裂和酒吧屈曲只在塑性铰区域是有限的。重力负载漂移3.5%和1.75%的崩溃列9 l - 0.2和9 l - 0.6,分别。发现裂纹模式和位置主要取决于纵向钢筋的类型。DB12酒吧作为纵向钢筋时,裂纹尺寸非常大,消散在列。相比之下,使用圆棒时,裂缝仅限于只有在塑性铰的位置。虽然列的裂缝模式使用相同的酒吧类型是相似的,失败的最大漂移的列是明显不同的。高轴向载荷列(9 l - 0.6和12 l - 0.6)倒塌在重力负载只在1.75%的漂移。 For columns subjected to lower axial load, the drift at collapse of the columns using round bars (9L-0.2) was 4% but 3.5% drift for the column using deformed bars (12L-0.2). When the deformed bars were used, the column could tolerate lateral displacement slightly less than that using round bar providing that the axial load level was low. It is evident that the drift at axial load collapse of NRCC columns is significantly dependent on axial load level but slightly dependent on type of longitudinal reinforcement. The type of longitudinal reinforcements plays more important role on drift level only when the axial load level is low. The use of round bars in NRCC is recommended since it could lead to columns collapse under gravity load at larger drift compared to those using deformed bar.
4所示。横向Load-Drift比率反应
图7显示了横向荷载和漂移率之间的关系(包括位移)的所有测试标本。侧向力测量使用负载细胞附着在致动器的手臂。列的位移测量使用线性监控运动列提示。测量位移是用来计算漂移率除以列剪切跨度(1.25米)。然后横向荷载是策划反对漂移率如图7。
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在低漂移周期(小于0.5%),所有列的磁滞回线非常稳定,以及力和位移之间的线性关系在提升曲线在第一和第二周期。这可以暗示列行为在循环荷载下很低漂移在弹性范围。当漂移周期增加,第二滞后循环显示峰值循环强度退化。此外,它是观察到,当使用了变形钢筋(12 12 l - l - 0.6和0.2),有显著的横向第二周期峰值强度下降。少第二循环强度下降在列使用圆棒(9 l - 0.2和9 l - 0.6)。轴向载荷的影响水平的循环行为NRCC也是非常重要的。列12 l - 0.2和9 l - 0.2受到轴向载荷低可以容忍更多的周期相比受到高轴向载荷(12 l - 0.6和9 l - 0.6)。因此,这些较低的能量耗散轴向载荷列高于同行,如图7。不同的酒吧类型的使用也影响滞后环的形状。使用循环很窄时,变形钢筋相比使用圆棒。因此,能量耗散的列使用预应力钢筋是低于使用圆酒吧提供轴向载荷率是相等的。
5。所有标本的包络曲线
比较循环荷载下的整体力量和偏差行为的标本,所有标本的包络曲线横向load-drift关系绘制如图8。所有标本显示低水平的侧向力下的弹性行为。的侧阻力,获得的最大阻力是12毫米变形钢筋使用时(12 l - 0.2)在低轴向载荷水平。然而,随着预应力钢筋相同,高轴向载荷水平(12 l - 0.6)减少列横向阻力。这是由于低强度混凝土与混凝土的压缩断裂破碎前发展中全部纵向钢筋抗拉强度。当混凝土破碎列受到轴向载荷水平高、轴向崩溃发生在1.75%的极低的漂移。圆棒的使用在低轴向载荷列(9 l - 0.2)显著影响横向抗负荷能力。低轴向载荷列的侧阻力显著依赖和纵向钢筋的数量成正比。列横向阻力低轴向载荷水平下显然是由以来钢铁的抗拉力张力控制失效模式控制整体行为的列。然而,使用圆棒似乎略列漂移的能力中获益。 For example, the column 9L-0.2 has a larger drift at collapse than the column 12L-0.2. For columns under high axial load ratio, the envelop curves of both columns (12L-0.6 and 9L-0.2) including drift capacity at collapse were not significantly different as shown in Figure8。这是由于一个事实,即整体行为是由压缩失败正如前面所讨论的那样。
测试结果总结在表的列3。在轴向载荷水平在6吨,标本12 l - 0.2的最大横向荷载为23.25 kN。这种横向荷载明显高于标本9 l - 0.2 (13.8 kN)。另一方面,失败的漂移标本12 l - 0.2是3.5%。这种横向荷载低于标本9 l - 0.2(4%漂移)。在这种情况下,列的最大抗横向与纵向配筋率0.75高于0.31。相比之下,漂移在失败的列纵向配筋率的0.75低于0.31。
当轴向载荷水平增加到18吨,最大横向荷载和漂移故障标本12 l - 0.6和9 l - 0.6相当类似,如表所示3。测试结果表明,轴向载荷率影响最大的横向荷载和漂移所有列的能力。
6。轴向位移和漂移率的关系
图9显示了轴向变形之间的关系和NRCC列循环荷载作用下的侧向位移。循环负载测试期间,轴向载荷水平保持不变在整个测试中,轴向位移是仔细监控使用位移传感器安装在顶部的列。从图9在前几个周期,没有明显的轴向做空所有测试列。列横向漂移时增加,裂缝和混凝土保护层剥落显然是观察,轴向缩短已经开始增加。高峰前观察,电阻(如(图1)9),几乎没有轴向缩短。然而,峰值负载或postpeak地区后,轴向缩短后发起和大幅增加点(2)如图9。第二个循环循环应用时,轴向缩短不断增加,因此,这一点被认为是重力负载崩溃。漂浮在这个阶段的测试记录和总结在表列3。这漂移在轴向载荷崩溃是最现实的崩溃点,可以用来证明NRCC列的最大漂移。
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各种参数的影响在重力负载崩溃NRCC列机制也被研究过。列12 l - 0.2,最大的最低数量的纵向钢筋和轴向力。发现,轴向缩短发生在一个非常高的漂移(近3%)。然而,一旦轴向缩短已经启动,重力负载崩溃发生后不久这一点漂移(3.5%)。高的轴向缩短启动漂移比其他列,因为纵向增援部队有重大贡献着轴向载荷(低级别)。然而,当混凝土保护层剥落在高漂移,酒吧没有有效地限制了混凝土保护层。最终,承载力的酒吧已经失去了由于轴向缩短大幅压缩屈曲紧随其后,导致重力荷载列的崩溃。
列12 l - 0.6,轴向载荷水平增加,因此,高轴向应力对混凝土和纵向酒吧。轴向缩短发起了横向荷载峰值后不久。大幅增加轴向位移发生在周期的数量增加。混凝土破碎后由酒吧扣在一个非常低的漂移引起的快速列缩短重力负载后崩溃的列。当纵向配筋率降低约50%(列9 l - 0.2和9 l - 0.6),轴向承载力由纵向钢筋因此减少了大约50%。在这种情况下,轴向载荷的比例将被转移到具体比列使用4 db(12条)。因此,缩短行为可能是由行为下的混凝土压缩。轴向缩短已开始后不久尖峰负载侧阻力和重力不断增加,直到崩溃即将来临。也发现,当轴向负荷的水平高,如在列9 l - 0.6中,轴向变形迅速增加当周期和漂移的数量增加。
7所示。理论模型的列崩溃
在本节中,提出了数值框架来预测行为的低强度混凝土柱塑性铰的概念,如有名的1923年集集大模型。模型可以提供一个保守的估计,当用于评估钢筋混凝土结构的抗震稳定性(25]。该模型用来预测最大横向荷载和极限漂移率,如表所示4。预测结果和试验结果之间的比较了标本。
钢筋混凝土柱的延性可以计算出从1923年集集大模型26]: 在哪里 , 最大位移(毫米),是屈服位移(毫米),弹塑性位移(毫米)。
屈服位移悬臂梁可能估计如下: 在哪里是屈服曲率(rad /毫米)和l列的长度(毫米)。
从图10,收益率曲率是由一个可接受的近似计算钢筋和混凝土梁部分极端的光纤应变,因此曲率 ,基于传统的弹性部分分析的时刻从而提供一个等效屈服曲率 ,当 在哪里是纵向的屈服应变增援,是压缩部分的顶部之间的距离和中性轴NA(毫米),然后呢是有效的深度(毫米)。
从图11,假设塑料旋转数字符集中在塑性铰,因此,塑料在悬臂顶端位移 在哪里最大曲率(rad /毫米),塑性铰的曲率(rad /毫米),然后呢塑性铰长度的列(mm)。最大曲率是由 在哪里是压缩部分的顶部之间的距离和最大曲率的中性轴NA (mm)。
(一)
(b)
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(d)
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柱的塑性铰长度可以被估计为 在哪里是部分深度(毫米)。
8。数值模拟
预测的最大横向强度和最终漂移测试所有列如表所示4与实验的结果。最大横向强度的预测是通过简单计算应用平面应力的概念弯曲后剩余的平原。这个计算中使用的材料模型(混凝土和纵向钢筋)校准与材料测试结果。发现预测提供略低值测试结果相比,除在列12 l - 0.6。列12 l - 0.6,预测横向强度(19.76 kN)高于测试结果(16.32 kN)。这可能是由于混凝土保护层分裂沿柱高的早期阶段(如图5)。这部分防止纵向酒吧能够充分发展其屈服应力。
计算横向漂移,著名的集集大模型采用一节中解释。本研究中使用的塑性铰长度等于0.5 h,和极限应变极限漂流是0.003。从表4,显然发现模型过于保守预测重力荷载的横向漂移崩溃。模型在预测横向漂移从65%变化到77%的测试结果。发现的使用限制塑性铰长度只有0.5 h或17.5厘米的基础可能不适合低强度列。由于损伤和裂纹并不仅限于该区域,裂纹位置明显依赖于纵向钢筋的类型,轴向载荷水平,以及混凝土的强度。此外,使用限制混凝土压应变0.003可能太低等低强度混凝土。模型更精确地预测横向漂移在重力负载崩溃仍处于开发阶段。这种低强度混凝土的本构模型的发展将进一步发展对压缩负载测试和校准的低强度的汽缸。塑性铰长度的推荐模型和新的计算方法将在未来。
9。结论
介绍了实验和数值研究nonengineered的循环性能与不同的纵向钢筋混凝土柱酒吧和轴向比率增加。根据这项研究,测试结果显示以下结论:(1)从裂缝分布图和损伤的观察,可以得出的结论是,纵向配筋率是一个重要因素列循环荷载作用下的裂缝分布图。垂直裂纹沿纵向钢筋和预应力钢筋。然而,纵向的裂缝模式加强根据地附近是有限的。(2)滞后循环模式的观察,可以得出的结论是,纵向钢筋是滞后环形状的一个重要因素。使用不同的酒吧类型也会影响能量耗散。耗能低,变形钢筋相比,使用那些使用圆的酒吧。(3)观察侧load-drift包络曲线的关系,可以得出结论,低轴向载荷列的侧阻力显著依赖和纵向钢筋的数量成正比。列横向阻力受轴向载荷水平低是显然以来钢铁的抗拉力张力控制的失效模式控制的整体行为列。测试结果表明,轴向载荷率影响最大的横向荷载和漂移所有列的能力。(4)从轴向位移和漂移率关系的观察,可以得出结论:轴向缩短的启动发生在高漂移比其他列。这是由于纵向增援部队有重大贡献的轴向负荷(低级别)。然而,当混凝土保护层剥落在高漂移,酒吧没有有效地限制了混凝土保护层。最终,承载力的酒吧丢失是由于大幅压缩屈曲后的轴向缩短。重力荷载列发生崩溃的后果。此外,缩短行为可能是由行为下混凝土的压缩。轴向缩短已开始后不久尖峰负载侧阻力和重力不断增加,直到崩溃即将来临。(5)著名的集集大模型被用来预测的漂移能力NRCC列在这个研究。发现该模型在预测横向漂移从65%变化到77%的测试结果。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究受到了泰国研究基金(基金会)2016年- 2017年。