CFRP加固钢筋混凝土框架结构的抗震性能研究

摘要

大量钢筋混凝土结构形式的建筑物由于材料老化、使用功能改变、设计与施工缺陷以及地震、战争等原因,均会导致原有结构的承载力不足和抗震性能不满足要求.为此,急需进行加固和修复.碳纤维聚合物(CFRP)补强加固钢筋混凝土结构技术具有高强高效、不增加自重、不占空间和施工方便等明显优点在近几年中成为一种颇受欢迎的加固方式,具有广泛的应用前景,将带来巨大的社会经济效益.但其加固理论和技术仍处于发展和不断完善的阶段.鉴于此,该文从2002年开始,对CFRP加固钢筋混凝土结构的抗震性能进行了理论分析和试验研究.该文在进行理论分析时,运用有限元程序对用CFRP加固和未加固的悬臂柱构件进行了非线性分析.在合理选用了单元模式及材料本构关系,定义了适当的单元破坏准则及单元屈服、开裂或破坏后的处理后,模拟了在轴向压力与水平往复荷载作用下CFRP加固钢筋混凝土柱的力学响应;并将柱加固前后的受力性能进行比较,研究了滞回曲线及其骨架曲线、柱变形及延性、CFRP及箍筋的应变等.结果表明CFRP横向包裹柱能够增加柱的延性,改善柱的抗震性能.同时,对用CFRP加固和未加固的钢筋混凝土框架结构在施加地震波作用下进行了非线性有限元动力分析.先对框架进行模态分析,得到框架结构自振频率和振型等动力特性;再作考虑非线性的地震反应时程分析,得出顶层的位移和加速度时程曲线等动力响应,同时比较了加固前后框架柱混凝土在地震作用下不同的应力状态,并分析其原因.结果表明CFRP加固框架结构能够提高混凝土的强度,延缓混凝土的开裂,增加框架柱的延性,改善框架结构的抗震性能.该文在进行试验研究时,根据工程实际和试验条件,应用相似理论,选定了模型方案,设计和制作了两个缩尺比为1/4的两层单跨钢筋混凝土框架结构模型.并进行了加固、未加固及其震坏后再加固的三次模拟地震振动台对比试验和试验结果分析.试验过程中测定了模型在震前和不同烈度地震作用后的动力特性,并作了比较和分析;进行了在不同加速度峰值下El-Centro地震波的模拟地震振动台试验,研究了模型在不同强度地震作用下的加速度反应和位移反应,以及钢筋、混凝土和CFRP的应变反应等;最后根据振动台试验结果和分析,得出用CFRP加固钢筋混凝土框架结构能够提高其抗震能力,而且对节点加固能够显著增加框架结构的延性.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题研究的目的及意义

1.2国内外研究现状及问题

1.3 CFRP加固混凝土结构的技术特点及相关设计理论

1.4本文的思路及主要内容

第二章CFRP加固钢筋混凝土结构非线性有限元分析方法

2.1前言

2.2材料非线性问题方程组求解

2.2.1材料非线性问题方程组的建立

2.2.2材料非线性问题方程组的解法

2.2.3平衡迭代的收敛标准

2.3 CFRP加固钢筋混凝土结构材料的本构关系

2.3.1钢筋的本构关系

2.3.2混凝土的本构关系

2.3.3 CFRP的本构关系

2.3.4钢筋和混凝土之间的粘结

2.4 CFRP加固钢筋混凝土结构材料的单元类型

2.4.1钢筋混凝土

2.4.2 CFRP聚合材料

2.4.3弹簧单元

2.5 CFRP加固钢筋混凝土结构非线性求解

2.5.1平衡迭代过程

2.5.2时间步大小和模型破坏的定义

2.6单元开裂和屈服后的处理

2.6.1钢筋单元屈服后的处理

2.6.2混凝土单元开裂或破坏后的处理

2.6.3 CFRP壳单元破坏后的处理

2.7非线性有限元分析步骤

2.8小结

第三章CFRP加固钢筋混凝土柱及节点的抗震性能分析

3.1前言

3.2柱的有限元分析对象及加固方案

3.3材料属性

3.3.1钢筋

3.3.2混凝土

3.3.3 CFRP聚合物

3.4柱的有限元模型及加载制度

3.5抗震性能的有限元计算结果及分析

3.5.1滞回曲线

3.5.2柱变形及延性分析

3.5.3滞回曲线的骨架曲线

3.5.4 CFRP及箍筋的应变分析

3.5.5各种参数对加固效果的影响

3.6节点的抗震性能的有限元计算结果及分析

3.7本章小结

第四章CFRP抗震加固钢筋混凝土框架结构的非线性有限元动力分析

4.1前言

4.2结构动力平衡方程的建立和求解

4.2.1动力平衡方程的建立

4.2.2动力平衡方程的求解

4.3 CFRP加固框架结构的模态叠加法分析

4.3.1框架的有限元模型

4.3.2框架动力响应分析

4.4 CFRP加固框架结构非线性有限元动力分析

4.4.1框架非线性恢复力特性

4.4.2非线性恢复力模型在有限元程序里的实现

4.4.3地震作用下瞬态分析结果

4.5计算实例

4.6本章小结

第五章CFRP加固钢筋混凝土框架结构模型的振动台试验

5.1前言

5.2模型的设计和制作

5.2.1模型的设计

5.2.2模型的制作

5.3试验方案

5.3.1试验用模拟地震振动台系统

5.3.2试验用地震波

5.3.3量测系统和测点布置

5.3.4试验工况和顺序

5.3.5模型动力特性分析

5.4模型结构地震反应分析

5.4.1模型结构地震反应

5.4.2模型结构加速度放大系数

5.4.3各模型柱的纵筋的应变

5.4.4模型的受力过程及破坏情况

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1全文总结

6.2有待解决的问题

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢