强震载荷下钢筋混凝土结构变形的DIC测量

商业 来源: 2021/9/28 17:26:53 阅读:87

一、项目背景

地震作为对人类社会影响最严重的自然灾害,具有破坏性大、破坏范围广、突发性强及防御难度高等特点,常常造成大量的人员伤亡和经济损失。一旦发生突发性强烈地震,将会在极短时间内造成建筑物倒塌、生命线系统工程破坏及人员伤亡,建筑物的抗震性能总体原则为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

近年来,强震作用下的建筑物倒塌破坏现象屡见不鲜,结构抗地震倒塌性能研究已成为地震工程领域的热点问题。通过研究混凝土框架结构在地震作用下的最大反应,给出合理的抗震设计方法和抗震构造措施,以减少结构破坏和防止结构倒塌,对框架结构在强震作用下的倒塌演变规律及破坏模式进行研究,对结构抗震设计和最大程度避免震灾具有重要意义。

 

二、测量需求

采用相似材料结构模型实验的手段,以钢筋混凝土框架结构为研究对象,通过数字散斑的非接触测量方式,获取强烈地震作用下模型表面的三维全场位移及应变数据。

 

三、原有测量方法

原有解决方案

电阻应变计是过去常用的应变测量方法,在结构表面安装应变片,受载后结构表面产生微小变形,应变计的敏感栅也随着变形,电阻相应发生变化,即尺寸变化转化为电阻变化,将电信号输入仪器进行分析,从而得到相应应变。

原有方案不足

应变计作为应变测量的工具,存在着贴片过程繁琐,测量精度严重依赖其贴片质量,对环境温度敏感等问题。

此外,应变计无法进行全场测量,难以捕捉到关键位置的变形出现的初始位置,当框架结构发生较大范围的变形或断裂,应变计在试件出现断裂时容易损坏,影响测试数据的质量。

 

四、新拓的测量方案

 

混凝土框架结构作为一种各项异性的材料,通常难以预料其破坏特征,精确的力学性能测试十分重要。数字图像相关(DIC)技术是一种适用于大型结构的位移测量的方法,可用于检测土木工程中大型桥梁、高层建筑等特定对象。采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统,可实时采集被大型结构的变形和应变数据,实现从全方位、不同角度观察裂纹的扩展和演化。

 

本次模拟钢筋混凝土框架试验,需综合考虑梁、柱、节点等结构变形对结构体的受力特性影响,结合理论分析、模型实验、数值模拟等手段,对强震作用下框架结构变形特征和抗倒塌性能进行研究,以提高工程结构的稳固性,提升抗震的防灾减灾能力。

 

 

实验模型与测量内容

实验模型为一栋63跨的钢筋混凝土办公楼,整体尺寸约6mX4m。实验模型为框架结构并未加设楼板,为避免载荷累积造成安全隐患,采用竖向组合的加载方式。加载装置由2300t液压千斤顶、2个分配梁、2100t手动千斤顶等组成。布置多个压力传感器,确保加载过程中可对载荷进行实时监控及实时补偿。实验中采用应变片测量关键点应变,采用数字散斑技术测量全场三维位移及应变数据。

 

 

将相机架设到合适的测量位置,加载过程中XTDIC系统相机同步采集数据,通过图像匹配、三维重建获取钢筋混凝土框架结构全场变形数据。

 

相机架设

采集数据分析

模拟地震波对模型进行加载,使其依次经历“基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌”五个震动强度阶段。通过XTDIC系统软件对采集数据计算,输出的三维位移场和应变场。

 

从实验结果可以看出,随着地震波的增大,模型的位移量越大,高度越高位移越大。起初在端部和跨中有轻微弯曲裂缝,随着结构变形增大,裂缝逐渐增大,出现明显的应变集中区域。直至出现大面积混凝土块脱落,本次模拟地震测试实验结束。

 

 

五、测量方案价值

钢筋混凝土框架结构是我国大量存在的建筑结构形式,建筑物的抗震能力和安全性,不仅取决于结构的承载力,还很大程度上取决于其变形性能和动力响应,也就是说,结构的抗震能力是由承载力和变形两者共同决定的。

采用新拓XTDIC系统非接触式测量方法对地震作用下结构变形进行测量,可以清晰地记录结构关键位置的变形和裂纹,呈现应力应变集中区域,从而对结构受力变形指标进行快速评估,实验结果有助于优化建筑结构的抗震设计,实现以强有力的框架构造措施来保证延性设计的工程实施。



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