纤维模型在FRP加固结构分析中的应用与研究

摘要

近年来，纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，简称FRP)由于其优越的力学性能和物理性能，已经广泛地用于加固构件和结构中，特别是震后结构的修复工作，FRP的约束作用不仅能提高结构的承载力，还能大幅提高结构在地震作用下的耗能能力和延性。为研究结构经过FRP加固后抗震性能的变化，国内外学者对FRP加固技术进行了大量的研究，但是这些研究主要集中在材料与构件层面，并不能在结构层面上反映结构经过FRP加固后抗震性能的变化。
　　针对目前FRP加固混凝土结构抗震性能研究的不足，本文借助OpenSees平台中基于柔度法的非线性梁柱单元结合纤维模型对FRP加固混凝土结构在地震作用下的时程响应进行模拟分析。研究以FRP约束混凝土材料的本构模型研究为切入点，以FRP约束混凝土柱构件的抗震性能模拟与研究为基础，基于OpenSees平台结合自主编制的FRP约束混凝土材料本构模型计算模块，采用纤维模型对FRP约束混凝土框架结构在地震作用下的响应进行了模拟与分析研究。本文主要研究内容如下：
　　（1）在材料层面，介绍了现有的典型 FRP约束混凝土材料本构模型，在此基础上，通过考虑材料属性对FRP约束混凝土材料极限状态的影响，引进了FRP材料有效利用系数，使本构模型能够准确地预测FRP在约束混凝土柱时材料的极限状态，同时考虑了横向箍筋在FRP约束混凝土柱中对混凝土材料的约束作用，提出了本文的FRP约束混凝土圆柱及矩形柱的材料本构模型。
　　（2）在构件层面，基于OpenSees平台编制了FRP约束混凝土材料的计算模块，采用纤维模型对FRP约束混凝土柱在不同受力状态下的力学性能进行模拟与分析，探讨了钢筋本构关系、FRP材料厚度、轴压比、混凝土强度、纵筋配筋率、倒角半径和截面长宽比对FRP约束混凝土柱抗震性能的影响。
　　（3）在结构层面，首先通过对FRP加固钢筋混凝土框架结构试件的模拟，论证了本文纤维模型的准确性，在此基础上，设计了一钢筋混凝土框架结构，在FRP加固总量相同的情况下，采用三种加固方案对设计的框架结构进行加固，采用纤维模型模拟得出了结构加固前后在地震作用下的弹塑性时程响应，通过分析对比不同加固方案下结构的顶层位移时程响应、基底剪力时程响应和层间位移角变化，得出不同加固方案对结构抗震性能的影响，提出了最为适合的加固方案。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 FRP加固钢筋混凝土结构研究现状

1.3 纤维模型研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 FRP约束混凝土材料本构模型

2.1 引言

2.2 典型本构模型介绍

2.3 本文本构模型的提出

2.4 本章小结

第3章 FRP约束混凝土柱的模拟与分析

3.1 引言

3.2 数值模型

3.3 FRP约束混凝土圆柱的模拟与分析

3.4 FRP约束混凝土矩形柱的模拟与分析

3.5 本章小结

第4章 FRP加固钢筋混凝土框架结构的模拟与分析

4.1 引言

4.2 FRP加固混凝土框架结构的模拟与分析

4.3 混凝土结构在不同加固方案下的模拟分析与研究

4.4 加固前后结构抗震性能的分析和比较

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）