超弹性Cu-Al-Mn合金钢筋作为增强混凝土梁元素的可行性外文翻译资料

超弹性Cu-Al-Mn合金钢筋作为增强混凝土梁元素的可行性

Kshitij C Shrestha1, Yoshikazu Araki1, Takuya Nagae2, Yuji Koetaka1,

Yusuke Suzuki1, Toshihiro Omori3, Yuji Sutou3, Ryosuke Kainuma3 and

Kiyohito Ishida3

1京都大学工学研究科建筑工学系

University，Katsura，Nishikyo，Kyoto 615-8540，Japan

2 E-Defense，国家地球科学和防灾研究所，Shinjimicho，Miki，

Hyogo 673-0515，Japan

3东北大学工学研究科材料科学科，青叶山

6-6-02，Sendai 980-8579，Japan

电子邮件：araki@archi.kyoto-u.ac.jp

收到日期2012年8月3日，最终形式2012年11月1日

发布日期：2013年1月25日

在线，在stacks.iop.org/SMS/22/025025

摘要

实验和数值工程报告评估混凝土用超弹性合金（SEA）棒加固的循环响应梁。新开发的可行性Cu-Al-Mn SEA棒，其特征是回复应变大，材料成本低，和良好的机械加工性，作为替代部分常规钢筋进行检查，以便减少强烈地震期间和之后结构中的残余裂纹。四点反转循环弯曲试验是在包括三个不同的三分之一规模的混凝土梁做常规钢筋混凝土，SEA钢筋混凝土和SEA钢筋混凝（RC）预紧。结果表明，与钢筋梁相比，SEA增强混凝土梁显示出强烈的回弹能力和显著提高裂纹恢复能力。此外，相应生成有限元模型以模拟实验观察。实验观察和有限元计算都说明了SEA杆与常规钢筋在提供RC梁试样的重要性和裂纹恢复能力方面的优越性。

（有些数字只能在在线期刊上出现）

1介绍

在一次足够大的地震事件后，混凝土（RC）结构维持相当可观损伤量，显示大面积的残余裂纹。 RC结构有效抵抗地震事件并确保居住者的生存，但事后他们显示大的残余偏移，由所使用的钢筋的塑性屈服造成，影响其稳定性。在这种情况下，建筑物的立即重新占用通常是有问题的。此外，修复这些损坏结构通常是困难的，在某些情况下不切实际，由于大的残留漂移和过度损坏。修复或拆除这种结构会导致相当大的成本。

最近在使用形状记忆合金（SMA）在结构工程领域方面取得了进展解决上述问题的可能性有效即时占用，显着降低修理费用。形状记忆合金是由两个不同的和独特的功能标识，第一，通过应用程序的形状恢复的热，以及第二，卸载时的形状恢复。

图1.基于钢筋滞后的RC梁的预期特征

后者的特征称为超弹性，在室温下具有超弹性的SMA也称为超弹性合金（SEA）。本研究集中于应用SEA条作为RC梁中常规钢筋（钢筋）的部分替代品。在Janke等（2005），Song等（2006a）和Ozbulut等（2011）中广泛报道了SEA杆在各种土木工程结构中的应用范围。在RC结构领域也做了大量的工作。为了列出一些值得注意的例子，Dolce等人（2005,2007）在RC框架上展示了SEA杆作为能量消散中心支架和被动控制基座隔离装置的有效性，此外，RC桥柱与SEA的地震响应增强由Saiidi和Wand（2006）研究。 Moser等（2005），Deng等（2006），Song等（2006b），Saiidi等（2007），Li等（2007），Kuang和Ou（2008），Wierschem and Andrawes （2011）和Choi等（2011）和Zafar和Andrawes（2012）也报道了RC梁，梁柱连接和混凝土抗弯框架的广泛实验和分析工作，应用不同形式的SEA条。在上述工作和迄今为止进行的大多数研究和项目中，应用Ni-Ti SEA，因为它们具有优异的机械性能。然而，Ni-Ti合金SEA具有高的材料成本和加工困难，这限制了它们的广泛实际应用。以具有较低成本和较高机械加工性的优越SEA为目标，Cu-Al-Mn SEAs的开发正在进行（Sutou等2003,2005，Araki等2010）。据报道Cu-Al-Mn SEAs具有与Ni-Ti SEAs相当的超弹性，并且它们对人类健康基本上没有风险，如对于铍合金SEA所见。 Cu-Al-Mn SEAs具有?40至60℃的超弹性温度范围（Sutou等人2009）。如果温度的增加是暂时的，超弹性温度范围的上限值达到100℃。此外，据报道这些Cu-Al-Mn SEAs在砖石改造中有效地工作（Shrestha等人2011，2012a），并且比Ni-Ti SEAs具有相对较低的应变速率效应（Araki等人2012）。

本研究将这些新开发的Cu-Al-Mn SEA棒应用于RC梁作为钢筋的部分替代物。 在这里，通过SEA钢筋提供的超弹性性能实现对剩余漂移和大残余裂纹的控制。 这种机制的典型示意图，当受到反向循环加载时，在钢筋混凝土上钢筋的后塑性屈服（ST-RC）和SEA钢筋混凝土（SEA-RC）梁可以在图1中看到。注意，本文提出的实验工作的一部分较早报道在Shrestha等人（2012b），四点反向循环 加载在梁试样，ST-RC，SEA-RC和SEA-PC，其中PC代表预张力钢筋混凝土梁。 此外，开发了相应的有限元（FE）模型来模拟实验观察，进行额外的灵敏度研究，以检查改变混凝土强度对RC梁的整体响应的影响。

2.实验程序

2.1 样品和材料

图2. 试验梁和四点加载条件下钢/ SEA加固细节

图3. 钢筋混凝土（ST-RC），SEA钢筋混凝土（SEA-RC）和SEA预应力钢筋混凝土（SEA-PC）梁试样的钢和SEA钢筋的初步循环荷载试验结果。

混凝土梁试样尺寸750 mm X 125 mm X 100 mm，如图2所示，准备了三种不同类型的ST-RC，SEA-RC和SEA-PC梁在SEA-PC梁试样上的预张紧在SEA条的屈服应力的约80％处进行。由于用于实验的SEA条的数量有限，仅制备了每种类型的RC梁的单个样品，并且通过数值计算验证它们的响应。此外，在所使用的八个不同的SEA棒上进行的初步测试显示了类似的机械特性，如稍后在第2.1.2节和图3中所报道的。此外，通过执行灵敏度分析来研究混凝土强度变化对响应的影响通过FE计算。主钢筋和剪切钢筋的放置如图2所示。钢筋束试样包括围绕中心放置长度为150mm的主钢筋。为了提供这些钢筋的延续，使用机械（钢）联接器将它们连接到钢筋。在实验期间使用的材料的性质描述如下。

2.1.1 具体

对于混凝土混合料，水泥，砂，骨料和水的组成保持在1：1.42：1.62：0.35，骨料的最大尺寸15mm。 准备七个直径为100mm，高度为200mm的混凝土的圆柱形试样，用于抗压强度（四个）和分裂拉伸强度（三个）测定。 28天抗压强度的平均值为66.2 MPa，标准偏差为0.54 MPa。 另外，分裂拉伸试验显示在标准下的平均分裂拉伸强度值为4.35MPa偏差为0.1 MPa。

2.1.2 钢筋

为了比较，采用了2.1节所述的两种不同类型的主钢筋。 对于ST-RC试样，使用直径为4mm的钢筋。 这些钢筋从如图3（顶部）所示的三个试样条测得的平均最大抗拉强度约为620MPa。

SEA-RC试样包括4mm直径的Cu-Al-Mn SEA钢筋。 Cu-16.7at.％Al-11.6at.％Mn合金由Furukawa Techno Material Co.，Ltd制备，其中通过热锻和冷拉丝获得SEA棒。固溶处理在900℃下进行，然后在水中骤冷，随后在200℃下老化以稳定超弹性。上述钢条的马氏体开始温度Ms，马氏体结束温度Mf，奥氏体开始温度As和奥氏体结束温度Af分别为MsD?74℃; Mf D 91℃;作为D?54℃和AfD?39℃。在将它们置于混凝土梁之前，通过施加准静态循环载荷将SEA杆预先加载至6％的应变。每个SEA钢筋的拉伸试验结果如图3所示。该图显示了应力应变图对于在SEA-RC和SEA-PC样品中使用的相应的SEA钢筋。对于图3中使用的八个不同的SEA条，它们的组成特性具有相当小的变化性。 SEA棒的屈服或正向转变应力平均约为210MPa。 SEA条的杨氏模量约为28GPa。该杨氏模量值使用应力为100和150MPa时的应变值。杨氏模量的值相对较小，因为应变是使用夹具之间的相对位移计算的。适当的线程杆的端部用于钢和SEA钢筋，如图2（底部）所示，以具有与钢制联轴器螺母（SS400型）的适当连接。在杆的端部处的设计的较大直径螺纹确保螺纹部分在装载过程中保持弹性。应当注意，Cu-Al-Mn SEA棒的优良机械加工性使得穿线过程像普通钢一样容易。

图4.有限元模型离散化

2.2 测试程序

试验程序包括RC梁上的四点反向循环加载，试验装置如图2所示。在每半个加载循环之后，在梁试样上下颠倒进行另一个反向半循环 。 给出位移控制载荷，使得在正和负半周期中梁试样的旋转角的幅度等于0.005,0.0075,0.010,0.015和0.02rad，其中L是梁试样的跨度。 使用四个激光位移换能器; 一对在梁样本的中跨部分处，而另两个在支撑位置处。

3.FE建模

3.1 模型生成

RC梁，经受弯曲，破裂和破碎，其中后裂纹行为由钢筋的屈服支配。 对于FE表示，RC构件被离散化为具有与四边形模糊裂纹元素连接的节点的矩形网格，具有作为涂抹覆盖或具有离散桁架元件的钢筋。 在本文中，使用通用目的FE程序（DIANA 2008）生成和分析完整的FE模型。 所使用的元件的细节描述如下。

3.1.1 具体

在本研究中，采用八节点四边形等参面平面应力单元来表示混凝土单元。 如图4所示进行网格，网格尺寸为15至30mm（网格类型-I）。 为了研究网格尺寸依赖性，使用从7至10mm（网格类型-II）的更细的网尺寸进行初步的有限元分析。 完全分析的计算时间从网格类型-I的15分钟增加到网格类型-II的160分钟。 在计算的恢复力和完全滞后方面观察到微小的差异。 基于上述观察，下面报告的所有FE模型的进一步分析用网格类型-I执行。

混凝土用基于总应变旋转裂纹模型的本构模型建模，其描述了具有一种应力 - 应变关系的材料的拉伸和压缩行为。 这种模型的适用性已经在先前的文献中报告了适用极限状态和极限状态分析，主要由混凝土材料的破裂和破碎控制。 本构模型的细节列于He等人（2008）和DIANA（2008）。

图5.具有装载 - 卸载 - 重新装载方案的混凝土的拉伸和压缩

图6.钢筋的组织模型滞后

假设如图5所示的线性拉伸软化曲线对混凝土的拉伸行为进行建模。根据CEB-FIP Model Code（1991）计算混凝土的断裂能GF：

其中da是保持在15mm的最大总尺寸，frsquo;c是标准28天气缸压缩强度的平均值为66MPa。裂纹带宽（hc）取为,其中A是元件的总面积。

混凝土的压缩行为由多线性图假设，如图5所示，充分描述了基于测试结果的压应力和等效总应变之间的关系。这里，在等效压缩应变“”为0.0022时采用最大压缩应力为66MPa。

对于混凝土，采用正割卸载重载方案，其中使用损坏的弹性方法对卸载和重新装载进行建模，这意味着卸载是与原点成线性的函数。 应当注意，更实际的滞后方案（He等2008，Okamura和Maekawa 1991）更好地预测了RC在材料水平的循环行为。 然而，在结构层面，如He等人（2008）所报道的，当混凝土的理想化的正割或更现实的滞后方案用于具有正常钢增强比的RC结构时，存在可忽略的差异。

对混凝土的拉伸强度进行敏感性分析，以检查混凝土材料性能FE结果的波动性。 这里，对于0.8，和1.2的三种不同混凝土拉伸强度值进行分析，其中的平均值为4.35MPa。

3.1.2 钢筋

主钢筋和剪切钢筋均由混凝土构件内规则嵌入的增强元素表示。

在本研究中使用Monti-Nuti模型（Monti和Nuti 1992）来表示钢筋的滞后应力 - 应变行为，如图6所示。对每个负载反向选择记忆硬化规则。 根据试验结果和由Monti和Nuti提出的值，假设屈服应力，550MPa，杨氏模量为210GPa，钢筋的其它参数值如下：初始硬化率，= 0. 03; 初始曲率参数， = 20; 材料常数， =18：5和 =0.01; 称重系数，P =0.5 Monti和Nuti（1992）和DIANA（2008）报道了基本法及其具有参数的细节。

SEA条由桁架元件表示，其超弹性性质通过假设三线弹性本构模型元件和能量耗散元件的叠加，如图7所示，其中对于正负荷循环采用相同的行为。 这里，两个元件在相同的两个节点之间并联连接，一个包括三线弹性模型，另一个包括能量耗散模型。 两个元件的叠加将表示具有如图7所示的旗形阻尼特性的全局超弹性模型。在图7中可以看到每个模型涉及的参数，其中它们的值用于三线弹性模型,

并且对于能量耗散塑料元件，

在叠加之后获得的所得到的滞后()地密切地表示使用SEA条实验观察到的。 表征旗形恢复力特性的这种类型的叠加可以在Dolce等人（2000）中找到。 假设混凝土和所有加固元件之间完美的粘结。

图7. SEA钢筋的组织模型滞后

图8钢筋混凝土（ST-RC）试样的实验观察：（a）抗力与旋转角图; （b）在每个装载循环期间的

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[140520]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word