FRP加固非延性钢筋混凝土框架结构抗震性能试验与分析

摘要

近年来发生的历次地震中,均有大量的钢筋混凝土框架结构由于缺乏足够的延性和耗能能力而产生严重破坏甚至倒塌。这些框架结构大多采用1970年以前的旧规范进行设计,仅考虑了竖向荷载而未进行抗震设计,或由于抗震设计规范的修订而不能满足现行抗震设计规范,此类框架结构即是本文所研究的非延性钢筋混凝土框架。目前我国抗震设防地区存在大量的此类框架结构,其在未来高水准地震作用下存在较高的严重破坏和倒塌风险,因此急需进行抗震加固。近二十年来,纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)由于其轻质、高强和便于施工的优点,已在混凝土结构的抗震加固领域得到广泛应用。对比日益增多的工程应用,FRP加固非延性钢筋混凝土框架结构抗震性能的研究则明显滞后,各国规范基本未有针对结构层面的抗震加固设计方法,即还未解决针FRP加固钢筋混凝土框架结构的合理加固方案及量化设计的两个关键问题。因此,进行FRP加固非延性钢筋混凝土框架结构的抗震性能的研究,对避免大量非延性框架结构在未来地震作用下发生严重破坏、实现“大震不倒”的抗震设防目标具有重要的理论意义和工程应用价值,为我国建筑抗震设计规范和混凝土结构加固规范的进一步修订奠定基础和提供技术支持。
　　针对目前FRP加固非延性钢筋混凝土框架结构抗震性能研究的不足,本文以材料层面的FRP约束混凝土应力-应变关系研究为切入点,以构件层面的FRP加固钢筋混凝土框架柱抗震性能研究为基础,进行了结构层面的FRP加固钢筋混凝土框架结构整体抗震性能研究,提出了FRP抗震加固非延性钢筋混凝土框架结构的概念设计原则,即解决了合理加固方案的问题,初步实现了基于位移的非延性钢筋混凝土框架结构的FRP抗震加固设计方法,即初步解决了FRP加固用量的问题。主要研究内容如下:
　　(1)在材料层面,开展了 FRP约束钢筋混凝土圆柱和方柱的单调受压及反复受压试验,考察了截面形状和尺寸、内部纵筋和箍筋、FRP包裹层数及预设损伤对单轴受压性能的影响规律;基于单调受压试验结果,建立了考虑尺寸效应及FRP和箍筋混合约束作用的单调受压应力-应变关系模型;基于反复受压试验结果,建立了考虑钢筋影响的FRP约束混凝土残余应变和加卸载曲线模型;将建立的单调受压应力-应变模型与加卸载曲线模型结合,建立了具有较高精度的FRP约束钢筋混凝土反复受压应力-应变关系滞回模型;在此基础上,自主开发了用于构件和结构抗震性能分析的基于OpenSees(Open System for Earthquake Engineering Simulation)分析平台的FRP约束混凝土材料模块;
　　(2)在构件层面,进行了 FRP加固足尺钢筋混凝土圆柱和方柱的伪静力试验,探讨了FRP包裹层数、轴压比、截面尺寸和形状对加固柱荷载-位移滞回性能的影响,采用刚度、强度、延性和能量耗散等指标对加固前后柱的抗震性能进行了评价,并基于试验结果,建立了FRP加固钢筋混凝土柱的卸载刚度和有效刚度模型;采用OpenSees软件,基于自主开发的FRP约束混凝土材料模块,实现了FRP加固钢筋混凝土柱荷载-位移滞回抗震性能的精细化数值模拟分析;基于经过验证的FRP加固钢筋混凝土柱有限元建模和分析方法,进行了考虑截面形状和尺寸、轴压比、剪跨比、混凝土强度、FRP包裹层数和配筋率影响的Pushover参数分析,建立了可以用于设计和宏观有限元分析的FRP加固钢筋混凝土圆柱和方柱的荷载-位移恢复力滞回模型;
　　(3)在结构层面,进行了未加固和CFRP加固后的2个四层两跨大比例钢筋混凝土框架结构的振动台试验,基于试验结果考察了加固前后结构的破坏形态、地震响应及抗震性能的变化,探讨了在不同水准地震作用下结构从损伤开始到最终破坏的损伤演化规律;采用 OpenSees有限元软件,实现了 FRP加固钢筋混凝土框架结构振动台试验的有限元模拟分析,验证了整体结构有限元建模方法的正确性和分析结果精确性;在此基础上,进行了不同高度非延性钢筋混凝土框架结构采用 FRP加固前后的弹塑性静力 Pushover分析和动力时程反应分析,提出了抗震加固概念设计原则;以加固柱的极限位移角为目标位移,基于建立的加固柱荷载-位移恢复力模型并结合概念设计原则,初步实现了非延性钢筋混凝土框架结构的FRP抗震加固设计方法。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状与分析

1.3 本文的主要研究内容及技术路线

第2章 CFRP约束钢筋混凝土柱单轴受压试验

2.1 引言

2.2 CFRP约束大尺寸混凝土圆柱和方柱轴压试验

2.3试验结果与分析

2.4 CFRP约束混凝土方柱尺寸效应轴压试验

2.5 本章小结

第3章 FRP约束钢筋混凝土柱应力-应变关系模型

3.1 引言

3.2 有效侧向约束应力

3.3 强弱约束界定

3.4 单调受压应力-应变关系模型

3.5 反复受压应力-应变关系模型

3.6 基于OpenSees平台的FRP约束混凝土单轴材料模块开发

3.7 本章小结

第4章 FRP加固钢筋混凝土柱抗震性能试验

4.1 引言

4.2 试验概况

4.3 试验结果与分析

4.4 本章小结

第5章 FRP加固钢筋混凝土柱荷载-位移恢复力模型

5.1 引言

5.2 有限元建模

5.3 模型分析结果验证

5.4 FRP加固钢筋混凝土柱荷载-位移恢复力模型

5.5 本章小结

第6章 CFRP加固非延性钢筋混凝土框架振动台试验

6.1 引言

6.2 试验概况

6.3 试验结果及分析

6.4 本章小结

第7章 FRP加固钢筋混凝土框架结构抗震性能分析

7.1 引言

7.2 振动台试验的有限元模拟及验证

7.3 不同高度框架结构模型的设计及加固前抗震性能分析

7.4 FRP加固方案

7.5 加固前后结构抗震性能分析与比较

7.6 FRP加固非延性钢筋混凝土框架的概念设计原则

7.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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