聚丙烯纤维增强异形柱框架抗震性能试验研究与理论分析
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摘要
混凝土异形柱框架结构由于良好的建筑功能而得到广泛的工程应用。但是在八度区工程应用中,由于异形柱截面薄弱导致抗震性能较差,从而限制了其结构高度。本文针对异形柱框架结构首层柱底和节点薄弱现象,以聚丙烯纤维进行局部增强,完成聚丙烯纤维局部增强异形柱框架抗震性能试验研究和理论分析,研究纤维在改善异形柱结构抗震性能上的增强作用,为聚丙烯纤维在异形柱结构中的工程应用提供依据,具体研究工作如下:
以实际工程中八度区六层异形柱住宅为背景,取其中一榀框架的1/3模型,对其一、二层节点和柱脚进行局部聚丙烯纤维加固,并进行低周反复荷载作用下的抗震试验研究。从试验框架的破坏现象、出铰机制、承载能力和延性、滞回特性以及耗能能力等方面进行研究,研究表明:试验框架属于梁铰破坏,其初始刚度较大,承载能力较高;最终破坏时,结构具有较好的延性和耗能能力,其抗震性能良好。
将局部聚丙烯纤维增强异形柱框架与普通混凝土异形柱框架的拟静力试验结果进行对比,研究纤维在改善异形柱框架薄弱部位进而对于整个异形柱框架的增强效果。研究表明,聚丙烯纤维对于异形柱框架开裂、承载能力、滞回特性、延性和耗能等抗震性能均有不同程度提高和改善,纤维可以改善异形柱薄弱部位,其增强效果明显。
采用大型设计分析软件SAP2000分别对普通异形柱框架和局部纤维增强异形柱框架建模进行静力弹塑性分析,进一步研究异形柱框架的抗震性能,对试验进行辅助分析。在静力弹塑性分析的基础上,考虑基于性态(性能)的设计思想,采用能力谱方法确定性能点,对局部纤维增强框架的抗震性能进行评定。结果表明:纤维增强异形柱框架在多遇地震与罕遇地震作用下均具有良好的抗震性能。
在上述研究的基础上,提出了异形柱结构的工程设计建议。
RC frame structure with special-shaped columns is used more and more widely with the satisfactory architectural functions in engineering application. But in seismic zone with earthquake intensity of degree 8, because of the weak seismic performance caused by the weak cross section in special-shaped columns, the height of the frame structure has been limited. Some joints and lower parts of the special-shaped columns are weak according to the result of experimental and theoretical research. So polypropylene fiber was adopted to reinforce local parts of the structure, and pseudo-static test study and theoretical analysis were completed to study the seismic performance of the reinforced structure in order to study polypropylene fiber’s reinforcement to the seismic performance of the structure. Also this can provide some basis for the application of polypropylene fiber to the structure with special-shaped columns. The detailed work of this paper is stated as follows:
Based on practical project of six-story residential structure with special-shaped columns in seismic zone of earthquake intensity of degree 8, a pseudo-static test study was conducted on a frame model with special-shaped columns, which is 1/3 in size of the prototype and reinforced with polypropylene fiber in parts of joints and column legs in first two stories. The seismic performance such as failure characteristics, plastic hinges of beams and columns, bearing capacity and ductility, hysteretic properties and energy dissipation of the specimen are studied. The result show that frame structure with special-shaped columns reinforced with polypropylene fiber has good seismic performance. The specimen’s failure process belongs to a beam-hinge failure mechanism, and the specimen has good initial rigidity and bearing capacity. Also the structure’s ductility and energy dissipation capacity is fine in ultimate failure.
Comparison is made between the partially reinforced structure with special-shaped columns and the general RC structure with special-shaped columns about the pseudo-static test results. The effectiveness of reinforcement with polypropylene fiber to the weak parts of the structure and also to the entire structure is studied. The result show that polypropylene fiber has reinforcement in different degrees in seismic performance like cracking, bearing capacity, hysteretic properties, ductility and energy dissipation capacity. Fiber can improve the weak parts of special-shaped columns, and the effectiveness of reinforcement with fiber is obvious.
To make a further study about seismic performance and help analysis with experiment, structural design and analysis program SAP2000 is adopted to build analysis model to make a static elastic-plastic analysis for the general RC frame with special-shaped columns and that partially reinforced with fiber. Based on the static elastic-plastic analysis and the idea of Performance-Based Seismic Design (DBSD), the capacity spectrum method was applied to find the performance point and evaluate the seismic performance of the frame reinforced partially with fiber. The result indicate that the seismic performance of partially reinforced frame with special-shaped columns is fine under the frequent and infrequent earthquake action.
Finally, some suggestions for design of RC frame with special-shaped columns are mentioned from the above study.
以实际工程中八度区六层异形柱住宅为背景,取其中一榀框架的1/3模型,对其一、二层节点和柱脚进行局部聚丙烯纤维加固,并进行低周反复荷载作用下的抗震试验研究。从试验框架的破坏现象、出铰机制、承载能力和延性、滞回特性以及耗能能力等方面进行研究,研究表明:试验框架属于梁铰破坏,其初始刚度较大,承载能力较高;最终破坏时,结构具有较好的延性和耗能能力,其抗震性能良好。
将局部聚丙烯纤维增强异形柱框架与普通混凝土异形柱框架的拟静力试验结果进行对比,研究纤维在改善异形柱框架薄弱部位进而对于整个异形柱框架的增强效果。研究表明,聚丙烯纤维对于异形柱框架开裂、承载能力、滞回特性、延性和耗能等抗震性能均有不同程度提高和改善,纤维可以改善异形柱薄弱部位,其增强效果明显。
采用大型设计分析软件SAP2000分别对普通异形柱框架和局部纤维增强异形柱框架建模进行静力弹塑性分析,进一步研究异形柱框架的抗震性能,对试验进行辅助分析。在静力弹塑性分析的基础上,考虑基于性态(性能)的设计思想,采用能力谱方法确定性能点,对局部纤维增强框架的抗震性能进行评定。结果表明:纤维增强异形柱框架在多遇地震与罕遇地震作用下均具有良好的抗震性能。
在上述研究的基础上,提出了异形柱结构的工程设计建议。
RC frame structure with special-shaped columns is used more and more widely with the satisfactory architectural functions in engineering application. But in seismic zone with earthquake intensity of degree 8, because of the weak seismic performance caused by the weak cross section in special-shaped columns, the height of the frame structure has been limited. Some joints and lower parts of the special-shaped columns are weak according to the result of experimental and theoretical research. So polypropylene fiber was adopted to reinforce local parts of the structure, and pseudo-static test study and theoretical analysis were completed to study the seismic performance of the reinforced structure in order to study polypropylene fiber’s reinforcement to the seismic performance of the structure. Also this can provide some basis for the application of polypropylene fiber to the structure with special-shaped columns. The detailed work of this paper is stated as follows:
Based on practical project of six-story residential structure with special-shaped columns in seismic zone of earthquake intensity of degree 8, a pseudo-static test study was conducted on a frame model with special-shaped columns, which is 1/3 in size of the prototype and reinforced with polypropylene fiber in parts of joints and column legs in first two stories. The seismic performance such as failure characteristics, plastic hinges of beams and columns, bearing capacity and ductility, hysteretic properties and energy dissipation of the specimen are studied. The result show that frame structure with special-shaped columns reinforced with polypropylene fiber has good seismic performance. The specimen’s failure process belongs to a beam-hinge failure mechanism, and the specimen has good initial rigidity and bearing capacity. Also the structure’s ductility and energy dissipation capacity is fine in ultimate failure.
Comparison is made between the partially reinforced structure with special-shaped columns and the general RC structure with special-shaped columns about the pseudo-static test results. The effectiveness of reinforcement with polypropylene fiber to the weak parts of the structure and also to the entire structure is studied. The result show that polypropylene fiber has reinforcement in different degrees in seismic performance like cracking, bearing capacity, hysteretic properties, ductility and energy dissipation capacity. Fiber can improve the weak parts of special-shaped columns, and the effectiveness of reinforcement with fiber is obvious.
To make a further study about seismic performance and help analysis with experiment, structural design and analysis program SAP2000 is adopted to build analysis model to make a static elastic-plastic analysis for the general RC frame with special-shaped columns and that partially reinforced with fiber. Based on the static elastic-plastic analysis and the idea of Performance-Based Seismic Design (DBSD), the capacity spectrum method was applied to find the performance point and evaluate the seismic performance of the frame reinforced partially with fiber. The result indicate that the seismic performance of partially reinforced frame with special-shaped columns is fine under the frequent and infrequent earthquake action.
Finally, some suggestions for design of RC frame with special-shaped columns are mentioned from the above study.
引文
[1]中华人民共和国行业标准,JGJ149-2006,混凝土异形柱结构技术规程[S],北京:中国建筑工业出版社,2006
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[4]王振武,钢筋混凝土十字形截面双向压弯构件正截面承载力和延性的试验研究及纵向弯曲变形的理论研究[D][硕士学位论文],天津大学,1997
[5]何培玲,钢筋混凝土十字形截面双向压弯构件正截面承载力、延性的试验及理论研究[D][硕士学位论文],天津大学,1996
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[7]张玉秋,钢筋混凝土异形截面双向偏心受压柱正截面承载力及纵向弯曲变形的理论研究[D][硕士学位论文],天津大学,1996
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