框架填充墙结构及碳纤维加固后的抗震性能分析

摘要

2008年汶川地震中,钢筋混凝土框架填充墙结构发生了较为严重的震害,各国规范积极贯彻的“强柱弱梁”破坏机制几乎没有得到体现。由于填充墙对框架梁抗弯刚度的约束增强作用,导致许多框架填充墙结构在柱端出现塑性铰进而引发结构的整体倒塌,结构呈现出“强梁弱柱”的破坏机制。同时,填充墙沿结构竖向布置不连续造成的结构薄弱层失效、填充墙平面布置不对称造成的结构扭转破坏、窗间墙造成框架柱发生的短柱剪切破坏、填充墙倒塌造成的人员伤亡及阻塞逃生通道等震害表现也随处可见。汶川地震中破坏严重的框架填充墙结构引发了我国土木工程界的广泛关注与思考,开始重新审视填充墙与框架之间的协同工作机制以及填充墙对框架结构整体抗震性能的影响规律。
　　汶川地震后,我国的《建筑抗震设计规范》从多方面加强了对RC框架填充墙结构的设计要求,这就导致大量按旧规范设计的现役框架填充墙结构不能满足新规范的抗震要求。面对随时可能发生的地震灾害,不能采取逐步新旧交替的大规模拆除重建来缓解现役结构面临的地震风险,而应采取主动的震前抗震加固思想,此次汶川地震的惨痛经历也昭示了对现役钢筋混凝土框架填充墙结构进行震前抗震加固刻不容缓。
　　本文主要研究填充墙对框架结构整体抗震性能的影响规律,进而探讨采用碳纤维对框架填充墙结构进行抗震加固的合理方法,研究内容包括:
　　1.确定填充墙的等效斜撑模型,基于Perform-3D软件对钢筋混凝土框架填充墙结构的伪静力试验和振动台试验进行数值模拟,通过与试验结果的比较来验证Perform-3D静、动力弹塑性分析方法及填充墙等效斜撑模型的正确性;
　　2.采用Perform-3D对全填充框架填充墙结构及底部大空间、上部带填充墙的框架结构分别进行了静、动力弹塑性分析,通过与纯框架抗震性能进行对比,考察填充墙对这两类结构整体抗震性能的影响规律;
　　3.对全填充和底部大空间框架分别设计了不同的碳纤维加固方案,对比分析不同加固方案下加固前后结构整体抗震性能的变化,得到框架填充墙结构采用碳纤维抗震加固的合理方法。
　　基于上述研究工作,本文得到以下主要结论:(1)对全填充框架结构,填充墙对结构低阶振型影响显著,自振周期折减系数在0.4～0.6之间;(2)考虑填充墙影响时,全填充框架结构的水平承载力和刚度分别是纯框架的1.7倍和5倍,而底部大空间填充墙框架结构的水平承载力变化很小;(3)由于填充墙的刚度增大效应,框架填充墙结构的变形能力大幅降低,尤其在底部大空间框架结构的首层更容易形成薄弱层,成为“上刚下柔”型结构,地震作用下仅首层柱是主要的耗能构件,结构整体抗震性能较差;(4)填充墙的存在使结构所能抵抗的最大地震动加速度峰值降低,削弱了结构的抗震能力,更易形成“强梁弱柱”的破坏机制;(5)碳纤维加固全填充框架结构的合理方法是加固首层框架梁与柱,而对底部大空间结构,仅加固框架梁、柱并不能显著提高结构的整体抗震性能,应采取其它更为有效的加固方法,比如在首层增加填充墙或剪力墙等措施。

目录

框架填充墙结构及碳纤维加固后的抗震性能分析

Analysis of Seismic Performance of Infilled RC Frame Before and After Retrofitted by CFRP

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 框架填充墙结构的震害调查

1.3 框架填充墙结构抗震性能的研究现状与分析

1.4 碳纤维加固填充墙框架结构研究现状

1.5 本文主要研究内容

1.6 本文技术路线

第2章 Perform-3D软件弹塑性分析方法验证

2.1 引言

2.2 Perform-3D软件介绍

2.3 填充墙等效斜撑模型

2.4 Perfrom-3D软件的试验验证

2.5 本章小结

第3章 全填充框架填充墙结构的抗震性能分析

3.1 引言

3.2 框架填充墙结构的设计

3.3 Perfrom-3D有限元建模

3.4 全填充框架填充墙结构抗震性能分析

3.5 本章小结

第4章 底部大空间填充墙框架结构抗震性能分析

4.1 引言

4.2 Perform-3D有限元建模

4.3 底部大空间填充墙框架抗震性能分析

4.4 本章小结

第5章 碳纤维加固填充墙框架的抗震性能分析

5.1 引言

5.2 加固方案及CFRP约束混凝土本构

5.3 CFRP加固全填充框架填充墙结构的抗震性能分析

5.4 CFRP加固底部大空间填充墙框架结构的抗震性能分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢