地震作用下RC框架梁受弯损伤轴向伸长效应研究

引用文献:

王丽萍 张伟 罗文文. 地震作用下RC框架梁受弯损伤轴向伸长效应研究[J]. 建筑结构,2019,49(13):98-105.

Wang Liping Zhang Wei Luo Wenwen. Study on axial elongation effect of RC frame beams due to bending damage under earthquake[J]. Building Structure,2019,49(13):98-105.

作者:王丽萍 张伟 罗文文
单位:重庆科技学院建筑工程学院 能源工程力学与防灾减灾重庆市重点实验室
摘要:RC框架梁受弯损伤会发生轴向伸长, 周边构件对梁伸长的约束作用会在梁中产生不可低估的轴力, 显著提高其抗弯承载力, 此现象未得到足够重视。RC框架梁抗弯承载力非预期超强可能导致结构在强震中难以出现预期的强柱弱梁破坏模式, 造成结构倒塌。为研究地震作用下RC框架梁受弯损伤轴向伸长效应, 首先阐明了梁伸长的概念, 并从机理上揭示了梁伸长的必然性及其构成, 基于试验研究定性分析了梁伸长规律;发现了目前尚缺乏全面综合考虑梁伸长效应的分析模型;归纳分析了梁伸长效应对结构抗震性能影响规律的研究进展及忽略此效应可能引发的问题。最后指出亟待开展考虑梁受弯损伤轴向伸长效应的RC框架结构强震破坏模式及抗震性能的系列基础性研究, 为进一步完善框架结构抗震延性设计方法提供支撑。
关键词:梁伸长 破坏模式 抗震性能 数值模拟 钢筋混凝土框架结构
作者简介: *罗文文, 博士, 讲师, Email:luowenwen326@163.com。
基金:国家自然科学基金项目(51808087);重庆科技学院校内科研基金项目(CK2016Z14,ck2017zkyb016);重庆市自然科学基金项目(cstc2018jcyjAX0695,cstc2018jcyjAX0052)。

0 引言

   强震中预期合理的破坏模式是结构实现抗震设防目标的决定性因素之一。结构抗震设计思路基本都遵循“承载力-延性设计”准则, 在钢筋混凝土 (RC) 框架结构中仅允许梁端和部分柱端损伤破坏, 形成“强柱弱梁”的破坏模式, 来耗散地震能量从而抵抗强烈地震作用, 保证整体结构的安全性。梁的抗弯性能是实现包括“强柱弱梁”在内的所有“能力设计法”的起点, 是保证结构强震下抗震性能的关键。

   然而, 与RC梁抗弯性能密切相关的受弯损伤轴向伸长现象 (beam elongation) 却没有得到足够的重视。RC梁受弯损伤轴向伸长是指梁在弯矩作用下发生开裂和纵筋屈服后出现轴向伸长的现象[1]。RC框架结构中, 梁伸长必定会受到周边构件 (柱、现浇板) 的约束, 从而导致梁中产生不可低估的轴力, 进而显著提高梁的抗弯承载力。轴向伸长效应 (伸长和约束效应) 改变了梁的抗弯性能, 可能会减弱“强柱弱梁”系数等“能力设计法”中承载力级差系数的作用, 影响内力重分布规律, 导致强震下可能出现非预期的破坏模式, 造成结构倒塌破坏。此效应可能是历次地震中, 除现浇楼板抗弯贡献、填充墙等影响因素外[2], 导致“强柱弱梁”破坏模式未能实现的又一重要因素。

   梁受弯损伤轴向伸长效应在结构抗震研究领域并未引起足够的重视和系统深入的研究。相关研究停留在构件层次和个案上, 其对整体结构强震破坏模式以及抗震性能的影响更不清楚。因此, 无论从知识层面还是工程实践角度, 都需要对梁受弯损伤轴向伸长效应的影响进行一系列基础研究。本文对RC梁受弯损伤轴向伸长机理和轴向伸长效应的分析模型, 以及伸长效应对梁抗弯性能、结构整体抗震性能的影响等研究进展进行详细总结分析, 提出了忽略梁轴向伸长效应可能带来的问题, 并对该研究方向目前存在的问题和进一步研究内容进行了展望。为进一步完善RC框架结构抗震延性设计提供理论基础。

1 RC梁受弯损伤轴向伸长现象及机理

1.1 RC梁受弯损伤轴向伸长现象

   RC梁受弯损伤轴向伸长从受拉区混凝土开裂开始出现, 随构件进入非线性程度的增加而增加, 往复荷载作用下轴向自由伸长量可以达到截面高度的2%~5%[1]。Ashtiani等[3]在研究高强度自密实混凝土梁柱节点抗震性能的梁-柱子结构低周往复加载试验中也发现了同样量级的梁轴向自由伸长量, 位移角为0.02时, 部分试件的梁轴向自由伸长量达到了12mm, 约为梁高的2.9%。2016年新西兰凯库拉 (Kaikoura) 地震中震损结构的预制楼板与现浇框架梁之间的残留裂缝间接反映了与该裂缝垂直的梁受弯损伤轴向伸长的现象[4]。低轴压比RC构件受弯损伤后均会出现轴向伸长的现象, 但却受到较少的关注, 究其原因是轴向自由伸长对构件本身的受力性能影响较小, 只有当伸长受到约束时才会对构件本身和约束构件的受力性能产生不可忽视的影响。

1.2 RC梁受弯损伤轴向伸长机理

   根据伸长的组成部分, RC梁受弯损伤轴向伸长可分为几何伸长 (geometric elongation) 和残余伸长 (residual elongation) , 见图1[1,5], 图中各符号的含义见文献[1,5]。几何伸长是由于RC构件受弯开裂后中性轴向受压区移动, 形心轴位于受拉区, 构件必然会轴向出现伸长, 见图1 (a) 。残余伸长则是由于受拉钢筋自身残余变形以及剪力传递机制 (truss action effect) 和混凝土接触压力 (contact stress effect) 导致反向加载时原受拉钢筋不能被压缩至原长而产生的[1]。塑性铰区剪力传递机制导致受弯在受压纵筋中产生的压力C, 一直会小于上半个反向加载循环中受弯在此处产生的拉力T, 见图1 (b) ;而混凝土接触压力则是由于裂缝中掉落的混凝土块在反向加载时所起到的“楔作用”, 阻止裂缝闭合而产生的, 见图1 (c) 。梁受弯损伤轴向伸长主要发生在塑性铰区。塑性铰可分为单侧塑性铰和双侧塑性铰, 单侧塑性铰中竖向荷载效应所占比例较大, 侧向荷载作用下仅在梁顶或梁底出现屈服;而双侧塑性铰中竖向荷载效应所占比例较小, 侧向荷载作用下, 梁顶和梁底都会出现屈服。单侧塑性铰伸长量主要由受拉钢筋的拉应变决定, 而双侧塑性铰伸长量则由受拉区和受压区钢筋的残余伸长与几何伸长共同决定[5]

图1 梁伸长机理

   图1 梁伸长机理

    

1.3 RC梁受弯损伤轴向伸长试验研究

   为进一步揭示RC梁受弯损伤轴向伸长现象, 本文进行了RC梁-柱子结构低周往复加载试验, 见图2 (a) 。梁截面尺寸为250mm×400mm, 梁长为4m, 柱截面尺寸为350mm×300mm, 柱高为1.6m。混凝土圆柱体强度为28.7MPa, 梁纵筋配筋率上部为0.7%, 下部为0.5%, 纵筋屈服强度为493MPa。试验采用位移加载制度, 见图2 (b) 。试件滞回曲线和梁伸长曲线分别见图2 (c) 和图2 (d) 。

   梁轴向总伸长量随着加载位移的增加而逐渐增大。当试验加载至位移角为0.02时, 梁总伸长量为8mm, 相当于梁截面高度的2%。对于位移角为0.02的第一个加载循环 (A-B-C-D-E-F-A′, 见图2 (c) 和图2 (d) ) , 正向加载阶段A-B, 梁伸长量迅速增大, 增加了3.1mm;由正向承载力峰值点B卸载至力为0时的点C时, 梁伸长部分恢复, 恢复了1.6mm;由力为0的点C反向加载至位移为0的点D时, 梁伸长变化量较小;反向加载阶段D-E, 梁伸长量增加2.5mm;由负向承载力峰值点E卸载至力为0的点F时, 梁伸长恢复了1.7mm;由力为0的点F继续加载至位移为0的点A′时, 梁伸长几乎没有变化。在位移角为0.02的第一个循环中, 梁最大伸长量为4.1mm, 正向加载残余伸长量为1.6mm, 反向加载残余伸长量为0.7mm, 正向和反向残余伸长量之和为2.3mm, 占该加载等级最大伸长量的56.1%, 占总伸长量的28.8%左右。同一位移等级不同加载循环, 梁伸长量会稍微有所增加。梁受弯损伤轴向伸长中几何伸长可以部分恢复, 梁的总伸长量是上一加载等级的残余伸长量与本级加载的几何伸长量之和。

图2 梁伸长试验研究

   图2 梁伸长试验研究

    

2 RC梁受弯损伤轴向伸长效应试验

   RC梁受弯损伤轴向自由伸长量较大, 但实际结构中梁伸长会受到周边构件 (柱、现浇板) 的约束。与无约束时的自由伸长相比, 柱、现浇板或其他等效约束作用会减小梁的伸长量[6,7,8,9,10]。与此同时, 任何对梁伸长趋势的约束都会导致梁中产生不可低估的轴力, 约束轴力一方面会影响梁自身的抗弯性能, 另一方面也会影响周边约束构件的抗震性能, 进而影响结构整体的破坏模式和抗震性能。关于RC梁受弯损伤轴向伸长效应的试验研究可以按约束类型分为三大类:受等效约束作用、受周边抗侧力构件约束作用和受现浇楼板约束作用。

2.1 受等效约束作用

   RC梁受弯损伤轴向伸长受等效约束作用。Kokusho等[7]和Maeda等[8]将周边构件对梁受弯损伤轴向伸长的约束等效为型钢约束或作动器约束作用, 等效约束刚度在100~400kN/mm之间, 进行梁两端固端的低周往复加载试验, 研究轴向约束作用对梁抗弯性能的影响。因梁受弯损伤轴向伸长受到了约束, 梁中产生了较大的轴力, 轴力的存在提高了梁抗弯承载力, 与无约束梁相比, 其抗弯极限承载力则提高了1.5~2.4倍。轴力的存在使受压区混凝土提前被压碎, 梁受弯变形能力减小了。此类试验仅能考虑恒定约束刚度下约束对梁抗弯性能的影响, 无法反映实际结构中梁伸长与周边约束构件之间的相互作用和相互影响。

2.2 受周边抗侧力构件约束作用

   实际框架结构中梁受弯损伤轴向伸长会受到周边抗侧力构件的约束。Zerbe等[10]进行了静定的梁-柱子结构 (两个边节点、一个中节点) 和两跨连续梁-柱子结构低周往复加载试验, 研究实际结构中梁伸长受到周边构件约束作用时的抗震性能。与三个静定子结构组合起来的结果相比, 连续梁-柱子结构的梁中出现了约束轴力, 结构承载力至少提高了1.2倍。受梁伸长效应的影响, 连续梁-柱子结构中边柱纵筋出现了屈服, 节点抗剪需求增大, 出现剪切破坏的风险也随之增大。Sakata等[11]进行了一个四层三跨的RC平面框架单向加载试验和往复加载试验, 两种情况下框架的承载力都比不考虑梁轴力时计算的承载力大。受梁伸长效应的影响, 底层各柱承担的剪力分配不均匀, 边柱受到的剪力变化较大, 结构边柱转角差异较大。然而, 该试验缩尺比为1/12, 缩尺比较小, 易受尺寸效应影响。

2.3 受现浇楼板约束作用

   除梁周边的抗侧力构件外, 与梁相连的现浇楼板由于其巨大的平面内刚度也会约束梁受弯损伤轴向伸长。Zerbe等[12]进行了静定的梁-柱-板子结构 (两个边节点、一个中节点) 和两跨连续梁-柱-板子结构低周往复加载试验。连续梁-柱-板子结构中参与受力的板筋分布范围比单个静定子结构试件中的大, 与三个静定子结构组合起来的结果相比, 连续结构的承载力提高了40%, 结构刚度退化趋势变缓, 节点抗剪需求增大。雷远德等[13]进行了双向往复加载下四个包含底层柱脚和板的空间梁-柱子结构试验, 研究现浇楼板对结构承载力、延性和破坏模式等方面抗震性能的影响, 其中两个试件的节点四周沿梁两侧预期塑性铰区内的楼板切割长475mm、宽50mm的缝, 断开缝内楼板钢筋。试验结果表明, 楼板开缝钢筋切断对整体构件承载力和极限变形均没有显著的影响。楼板局部切割没有严重影响现浇楼板平面内的连续性, 那么几乎相同的承载力很可能是因为开缝没有影响到板对梁的约束作用。

   然而, 目前关于楼板对梁抗弯承载力的影响几乎都归结于有效翼缘范围内板筋参与抗弯的作用[14,15], 而忽视了楼板对梁的约束效应。实际情况中, 现浇楼板参与抗弯和约束梁伸长的作用是耦合在一起的。梁承担负弯矩时, 部分板筋作为受力纵筋与梁上部纵筋一起抵抗梁的负弯矩, 板筋减小了梁受弯的曲率需求[16], 从而减小了梁受弯损伤后轴向伸长量;但梁伸长的内在因素并没有消失, 受弯损伤后仍然会出现轴向伸长的趋势, 此时板筋的另外一个作用就是约束“梁板”的轴向伸长。目前研究现浇楼板对梁抗弯承载力影响的试验中并未单独考虑有效翼缘板内钢筋贡献。现浇楼板对梁的约束作用很可能是板对梁抗弯承载力影响的另一个重要因素。

3 RC梁受弯损伤轴向伸长效应分析模型

   准确预测梁受弯损伤轴向伸长效应是研究其对构件或结构破坏模式及抗震性能影响的前提。长期以来大量的研究者提出了不同复杂程度的分析模型, 根据模型的类型可以分为理论分析模型和数值分析模型。

3.1 理论分析模型

   Fenwick[1]和Meggett[17]进行了RC悬臂梁和门式框架低周往复加载试验, 对试验现象和结果深入分析后提出单侧塑性铰及双侧塑性铰轴向伸长量计算公式, 分别见式 (1) 和式 (2) 。对于单侧塑性铰, 受压区纵筋应变较小, 假定此处应变为零时, 梁伸长量则等于梁的转角乘以梁底和梁顶纵筋中心距的一半[17];而对于双侧塑性铰, 因为混凝土接触压力和剪力传递的影响, 造成受拉区纵筋在反向加载受压时不能被压缩至原长, 并且在往复荷载作用下, 受压区纵筋伸长量不断增加, 受压区纵筋伸长量对梁总伸长量贡献较大[1]

   Δ1=θ (h0-as) /2 (1) Δ2=e+θ (h0-as) /2 (2)

   式中:Δ1, Δ2分别为单侧和双侧塑性铰区梁轴向伸长量;h0为梁有效高度;as′为混凝土表面至受压钢筋中心线的距离;∑θ为RC梁塑性铰的转角之和;e为受压纵筋伸长量。

   Lee等[18]基于截面分析, 将RC梁受弯损伤轴向伸长应变分成了4个阶段:弯曲屈服前或卸载阶段、弯曲屈服后阶段、粘结滑移阶段、往复加载阶段。根据这4个阶段伸长的组成, 提出了可考虑不同加载制度的RC梁受弯损伤轴向伸长应变计算方法, 并以此为基础提出计算轴向伸长应变峰值的简化计算公式:

   εx= (Rmp+Rmn) jd2lh (3)

   式中:εx为塑性铰区轴向应变;jd为拉压纵筋的中心距;lh为塑性铰区长度;Rmp, Rmn分别为梁正向和负向的转角。

   Matthews等[19]认为只有当弯曲变形超过曾经受到的最大变形时才会发生新的伸长, 因而可采用雨流记数法 (rain-flow counting method) 识别对伸长有贡献的变形, 提出计算塑性铰区轴向最大伸长量的计算公式:

   δmaxel= (|θp+|+|θp-|+θy) i=1necri (4)

   式中:δmaxel为塑性铰轴向最大伸长量;θ+p, θ-p分别为结构最大正向、负向塑性转角;θy为结构屈服位移角;ecri为结构第i个塑性铰中梁轴线距中性轴的距离。

   以上三种典型的理论分析模型均体现了梁几何伸长的特征, 都是在得到构件或结构整体响应的基础上, 进一步计算梁伸长量, 因而无法直接考虑梁伸长约束效应, 更无法反映梁伸长对构件、结构抗震性能和破坏模式的影响。

3.2 数值分析模型

   从数值分析模型中的力传递方式能否反映构件的几何伸长、残余伸长以及伸长效应对构件和结构抗震性能影响等方面, 对典型的几类数值模型进行深入的分析研究。

3.2.1 集中塑性铰模型

   集中塑性铰模型是在潜在塑性铰区设置弯曲弹簧承担截面弯矩, 弯曲弹簧的相关参数通常由截面分析或试验结果回归拟合得到[20]。该类模型虽然在一定程度上可以较准确地模拟塑性铰的弯曲变形行为, 但却不能模拟弯-轴耦合作用, 也不能反映梁受弯损伤轴向伸长效应。

3.2.2 纤维截面模型

   纤维截面模型又称为截面离散单元[21], 是对截面按照材料组成和位置进行分割, 划分为一系列纤维, 纤维与纤维之间服从平截面假定的位移协调关系。纤维截面模型可以反映混凝土开裂引起的中性轴移动, 可体现截面弯曲变形引起的几何伸长以及钢筋残余变形引起的残余伸长, 还可自动考虑弯-轴耦合作用, 因此可反映轴向约束对梁伸长以及梁抗弯性能的影响。但纤维模型无法直接考虑混凝土接触压力和截面剪力传递所引起的残余伸长。

3.2.3 多弹簧模型

   Kokusho等[7]提出图3 (a) 所示的多弹簧数值分析模型 (图中各符号的含义见文献[7]) , 模拟梁受弯损伤轴向伸长效应, 其中bc段和de段为塑性铰区域, 塑性铰区域内弹簧采用钢筋或混凝土单轴本构模型, 不考虑截面剪切变形影响。Sakata等[11]在此模型的基础上, 考虑节点剪切变形和纵筋粘结滑移的影响, 建立平面框架数值分析模型, 分析梁受弯损伤轴向伸长效应与受约束伸长量, 并与平面框架试验结果进行了对比验证。Kabeyasawa等[22]提出类似的多弹簧数值分析模型, 模拟分析研究了整体结构中结构几何参数 (梁高、结构跨数、层数) 对梁伸长效应的影响;研究得出, 梁截面越高, 轴向伸长量越大;结构跨数越多, 底层边柱侧移就越大, 但侧移增长与结构跨数增加不成比例;结构楼层越多, 第二层梁中的约束轴力就越大;并提出考虑梁伸长效应的底层边柱剪力计算方法。

图3 多弹簧模型

   图3 多弹簧模型

    

   Fenwick等[23]提出图3 (b) 所示的模型来模拟梁受弯损伤轴向伸长效应。模型在构件潜在塑性铰区上下侧各设置一个钢筋桁架单元和一个混凝土桁架单元来传递构件的弯矩和轴力, 同时在构件中部设置一端固定、一端释放轴向自由度的单元来传递构件剪力。桁架单元采用钢筋或混凝土单轴本构模型。

   Kim等[24]提出图4 (a) 所示的梁柱节点分析模型, 采用缝单元集中模拟塑性铰区域内混凝土裂缝张开和闭合, 图中各符号的含义见文献[24]。图中仅示意了布置在梁顶和梁底两个缝单元, 实际上缝单元可以沿梁高均匀布置。以此模型为基础, 建立整体结构分析模型, 模拟分析得出, 结构跨数越多、梁高度越大、层间位移角越大, 结构中梁受弯损伤后轴向伸长就越大;梁的伸长效应在下部楼层比较明显, 底层柱剪力需求变化较大, 同时梁中轴力也增加了节点的抗剪需求。Ahmed等[9,25]对此模型进行了改进, 可同时考虑梁伸长和楼板的作用, 如图4 (b) 所示, 图中各符号的含义见文献[9,25]

图4 梁柱节点分析模型

   图4 梁柱节点分析模型

    

   与集中塑性铰模型中设置单个弯曲弹簧不同的是, 图3、图4所列两种多弹簧模型是沿构件截面高度方向布置一定数量的拉压弹簧, 通过弹簧的拉压力来抵抗截面弯矩和轴力, 拉压弹簧采用混凝土或钢筋单轴本构模型。这两种模型都可实现对塑性铰区几何伸长和纵筋残余变形引起的残余伸长的模拟, 但因模型均未考虑截面剪切变形而无法反映塑性铰区剪力传递引起的残余伸长量, 也无法直接模拟由混凝土接触压力引起的残余伸长量。由于这两种模型截面轴力也由拉压弹簧承担, 自动实现弯-轴耦合, 所以其可考虑伸长受约束后产生的轴力对构件抗弯性能的影响。

3.2.4 桁架模型

   Eom等[26]根据塑性铰区力的传递机制, 采用Park等[27]提出的桁架模型, 模拟梁伸长效应, 见图5 (a) , 截面弯矩由上下两根水平桁架单元和斜向受压桁架单元承担, 截面剪力则由斜向受压桁架单元的竖直分力承担。Peng等[28,29]提出可考虑弯曲变形、轴向变形和剪切变形以及梁伸长数值分析模型, 该模型是在多弹簧模型的基础上添加两个斜向的弹簧来传递截面剪力, 如图5 (b) 所示, 图中各符号的含义见文献[28,29]。桁架模型不需要进行标定参数, 直接使用混凝土和钢筋材料模型, 但其假定剪力全部由对角受压承担, 完全不考虑纵筋销栓、骨料咬合提供的抗剪能力。以上两个模型除了可以反映几何伸长和钢筋残余变形引起的残余伸长外, 还可以直接反映塑性铰区剪力传递所引起的残余伸长。

图5 桁架模型

   图5 桁架模型

    

3.2.5 其他模型

   Mehrabani等[30]将构件总变形分为弯曲变形部分和剪切变形部分, 分别考虑这两类变形引起的轴向伸长, 提出基于应变层次的轴向伸长模型。Encina等[5]采用膜单元模拟钢筋混凝土剪力墙轴向伸长效应。膜单元可以考虑弯-剪耦合作用, 可以反映几何伸长和由钢筋残余变形及剪力传递引起的残余伸长, 但因使用过于简单的混凝土本构模型而难以考虑裂缝闭合时产生的接触应力而引起的残余伸长。

   以上模型中, 除集中塑性铰模型外, 其他几类典型的数值分析模型都可以模拟弯曲变形引起的几何伸长和由纵筋残余变形引起的残余伸长, 只有考虑剪切变形的桁架模型和膜单元模型可以模拟因剪力传递而引起的残余伸长, 但所有模型都无法直接反映混凝土接触压力引起的残余伸长。弯-轴耦合的模型可以直接考虑伸长效应对构件或结构抗震性能的影响。

4 研究展望

   长期以来梁受弯损伤轴向伸长效应被广泛忽略, 现行规范进行结构抗震延性设计时均未考虑梁受弯损伤轴向伸长效应对梁抗弯性能、结构抗震性能和破坏模式的不利影响[31,32,33,34]。新西兰专家学者对梁受弯损伤轴向伸长的问题展开了一系列研究, 具有一定的研究基础, 对由梁受弯损伤轴向伸长引起的柱曲率增加, 柱抗弯、抗剪需求增加, 梁抗弯承载力增加、局部残余变形、预制楼板支座长度以及后张预应力的影响等问题给予了一定的关注[34]

   梁受弯损伤轴向伸长效应会影响梁的抗弯性能、柱和节点的承载力及变形需求, 进而影响整体结构内力重分布规律、强震下破坏模式和结构抗震性能。梁受弯损伤轴向伸长效应可能是除楼板抗弯贡献、填充墙等影响因素外, 造成很多地震中未能实现强柱弱梁破坏模式的重要原因。相关试验研究和数值模型研究还停留在构件层次和个案上, 其对整体结构强震下破坏模式以及抗震性能的影响更不清楚。而现阶段还没有系统综合地考虑该效应对整体结构抗震性能造成的不利影响。进一步研究需要集中关注以下几个问题:

   (1) RC梁受弯损伤轴向伸长效应机理及影响因素。以往对RC梁受弯损伤轴向伸长的研究主要集中在自由伸长和自由伸长的预测上。实际情况中, 梁的伸长是受到周边构件约束的。因此, 有必要进一步系统深入地研究在周边构件特别是在现浇楼板约束条件下, RC梁受弯损伤轴向伸长和约束效应, 研究梁伸长的组成部分和各部分所占比例, 揭示梁伸长效应产生的机理及其影响因素和影响规律。

   (2) 考虑梁受弯损伤轴向伸长效应数值分析模型。现有的数值分析模型难以综合全面地反映几何伸长和残余伸长, 以及伸长效应与构件或结构之间的相互影响。进一步研究应以RC梁受弯损伤轴向伸长机理和伸长的主要特征为基础, 考虑塑性铰区力传递机制, 综合考虑弯-剪-轴作用耦合, 提出考虑梁受弯损伤轴向伸长效应的数值分析模型。

   (3) RC梁受弯损伤轴向伸长效应对整体结构破坏模式和抗震性能的影响。以往研究主要集中在梁受弯损伤轴向自由伸长以及轴向伸长受到约束时对梁抗弯性能的影响, 未综合考虑其对梁、柱及节点的抗震性能以及整体结构内力重分布、破坏模式和抗震性能的影响。因此, 进一步研究应系统综合地考虑轴向伸长效应对结构整体破坏模式和抗震性能的影响。

   (4) 考虑受弯损伤轴向伸长效应的梁抗弯承载能力计算方法。现阶段结构抗震设计, 都是以无约束情况下梁抗弯承载力和变形能力为基础的。实际结构中梁轴向约束效应与无约束情况相差巨大, 无约束情况严重低估梁的抗弯承载力, 影响基于梁抗弯承载力构建起来的能力设计法的实际效果。准确计算梁实际抗弯承载力是RC框架结构抗震能力设计法的基础。因此, 有必要研究提出考虑受弯损伤轴向伸长效应的梁抗弯承载力计算方法。

5 结论

   本文分析了RC梁受弯损伤轴向伸长现象和伸长机理, 归纳对比了考虑梁轴向伸长效应的分析模型, 总结了轴向伸长效应对梁抗弯性能和结构抗震性能的影响, 提出了忽略梁轴向伸长效应可能带来的问题, 并对梁受弯损伤轴向伸长效应的研究方向进行了展望, 得出以下结论:

   (1) RC框架梁受弯损伤后必然会出现轴向伸长, 轴向伸长包括几何伸长和残余伸长。构件的弯曲变形、纵筋自身残余变形、混凝土接触压力和塑性铰区剪力传递机制是影响伸长的主要因素。

   (2) RC框架梁周边构件约束其受弯开裂及屈服后的轴向伸长, 导致梁产生轴力并显著提高抗弯承载力, 同时会影响周边约束构件的承载力需求和变形需求。可能造成结构在强震中出现非预期的破坏模式, 影响结构抗震性能。

   (3) 现有预测梁伸长的理论模型可计算由弯曲变形引起的几何伸长和由纵筋自身残余变形引起的残余伸长, 但难以反映伸长对构件或结构抗震性能的影响;现有数值分析模型基本考虑了几何伸长和纵筋自身残余变形引起的残余伸长, 但难以全面综合反映混凝土接触压力和塑性铰区剪力传递因素等引起的残余伸长。

   (4) RC框架梁受弯损伤轴向伸长效应的相关试验研究和分析模型研究还停留在构件层次和个案上, 其对整体结构强震下破坏模式以及抗震性能的影响规律尚不清楚。

   (5) 后续研究需重点关注RC框架梁受约束伸长的机理和影响因素, 亟待开展建立全面综合反映梁轴向伸长效应的分析模型, 并提出考虑伸长效应的梁抗弯承载力计算方法, 深入研究伸长效应对结构抗震性能和破坏模式的影响, 为进一步完善框架结构抗震延性设计方法提供支撑。

    

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Study on axial elongation effect of RC frame beams due to bending damage under earthquake
Wang Liping Zhang Wei Luo Wenwen
(Architectural and Civil Engineering Institute, Chongqing University of Science and Technology Chongqing Key Laboratory of Energy Engineering Mechanics & Disaster Prevention and Mitigation)
Abstract: The bending damage of RC frame beams leads to axial elongation. The restraint effect of surrounding members on the elongation of beams produces undeniable axial force in the beams, which can significantly improve the flexural capacity of the beams. This phenomenon has not received enough attention. The unexpected super-strength of flexural capacity of RC frame beams may lead to the failure mode of strong columns and weak beams under strong earthquakes, resulting in structural collapse. In order to study the axial elongation effect of RC frame beams subjected to bending damage under earthquakes, the concept of beam elongation was firstly clarified, and the inevitability and composition of beam elongation were revealed from the mechanism. Based on the experimental study, the law of beam elongation was qualitatively analyzed. It was found that there is no comprehensive analysis model considering beam elongation effect at present. The research progress of the influence of beam elongation effect on seismic performance of structures and the possible problems caused by neglecting this effect were summarized and analyzed. Finally, it was pointed out that a series of basic studies on the seismic failure modes and seismic performance of RC frame structures considering the effect of axial elongation of beam flexural damage were urgently needed to provide support for further improving the seismic ductility design method of frame structures. Finally, it was pointed out that a series of basic studies on the strong seismic failure modes and seismic performance of RC frame structures considering the effect of axial elongation of beam flexural damage were urgently needed to provide support for further improving the seismic ductility design method of frame structures.
Keywords: beam elongation; failure mode; seismic performance; numerical simulation; RC frame structure
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