钢筋粘结滑移对FRP约束钢筋混凝土柱非线性阻尼及动力响应的影响

摘要

FRP材料具有轻质、高强、耐腐蚀、施工方便等优点，在结构与构件的加固改造中应用广泛。国际上对FRP加固混凝土构件和结构的静力性能和动力响应的研究较多，但是对其阻尼性能的研究有限。在抗震分析时，阻尼比对结构的计算响应影响很大，但由于阻尼机理复杂，影响因素很多，所以在FRP约束钢筋混凝土柱动力分析中多采用常阻尼来处理。此外，钢筋与混凝土作为两种不同的材料，变形较大时会在其接触面上产生滑移。在已有的FRP约束混凝土柱动力分析中，往往忽略钢筋粘结滑移的影响，这与实际情况是不相符的。
　　基于以上问题，本文将基于非线性阻尼理论，研究钢筋粘结滑移对FRP约束钢筋混凝土柱动力响应的影响。本文采用非线性有限元程序OpenSEES对FRP约束钢筋混凝土柱耗能性能进行建模，利用柱端零长度单元来模拟钢筋的粘结滑移，并将计算得到的滞回曲线与试验数据进行比较，以此来验证模型的合理性。在应力相关阻尼的基础上，分别建立了FRP约束钢筋混凝土圆柱和方柱考虑钢筋粘结滑移的单位体积耗能公式，并用能量法定义了相应的非线性阻尼比。分别计算简谐荷载、地震荷载作用下，考虑钢筋粘结滑移后FRP约束钢筋混凝土柱的动力响应，并与不考虑钢筋滑移的计算结果进行比较。主要工作如下:
　　(1)在OpenSEES中选取合适的FRP约束混凝土的本构关系，并对零长度单元中反应钢筋粘结滑移本构关系的参数进行合理取值分析。将非线性梁柱单元与零长度单元结合进行建模，并从滞回环耗能的角度，将FRP约束钢筋混凝土柱耗能的计算结果与试验结果进行对比。
　　(2)在Lazan提出的应力相关阻尼的基础上，考虑配筋率、FRP体积率、混凝土强度、轴压比的影响，得出考虑钢筋粘结滑移后FRP约束混凝土柱的单位体积耗能公式，并分析了五种影响因素与单位体积耗能的关系。单位体积耗能（△U)随着f(s）的增大，呈先慢后快地增长;相同f(s)，单位体积耗能（△U)随着混凝土强度等级(fc）的升高、轴压比(n)的增大而减小，随着配筋率(ρ)的增大而增大;最大单位体积耗能随FRP体积率(γ)的增大而增大。
　　(3)通过定义的单位体积耗能公式，在OpenSEES中定义非线性阻尼比，在单双向简谐荷载和地震荷载作用下，计算考虑钢筋粘结滑移后FRP约束钢筋混凝土柱在荷载作用下的动力响应，并与不考虑钢筋滑移的计算结果进行比较。经计算，考虑钢筋粘结滑移和不考虑钢筋粘结滑移的响应均大于常阻尼的计算结果;考虑钢筋粘结滑移的响应略大于不考虑钢筋粘结滑移的计算结果;相同条件下，单向荷载的分析结果大于双向荷载的计算结果。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 阻尼理论简介

1．3 FRP约束混凝土力学性能的研究现状

1．3．1 FRP约束混凝土静力性能的研究现状

1．3．2 FRP约束混凝土阻尼及动力响应的研究现状

1．4 钢筋混凝土构件纵筋粘结滑移的研究现状

1．4．1 钢筋与混凝土构件粘结应力一滑移关系

1．4．2 考虑纵筋滑移的构件分析方法

1．5 主要研究内容及创新点

2 基于纤维模型的钢筋粘结滑移分析方法

2．1 考虑纵筋滑移的模型化方法

2．2 材料的本构关系

2．2．1 钢筋的本构关系

2．2．2 混凝土的材料本构关系

2．3 参数的取值

2．4 本章小结

3 考虑钢筋粘结滑移的FRP约束RC柱有限元模型

3．1 结构非线性分析程序OpenSEES原理介绍

3．1．1 OpenSEES开发研究背景

3．1．2 OpenSEES平台架构

3．1．3 基于柔度法的梁柱单元理论

3．2 有限元计算

3．2．1 试验资料

3．2．2 材料模型参数

3．2．3 模型验证

3．3 本章小结

4 考虑钢筋粘结滑移的FRP约束钢筋混凝土柱单位体积耗能

4．1 引言

4．2 FRP约束钢筋混凝土柱的单位体积耗能计算

4．2．1 FRP约束钢筋混凝土圆柱

4．2．2 FRP约束钢筋混凝土方柱

4．3 参数分析

4．4 本章小结

5 钢筋粘结滑移对FRP约束钢筋混凝土柱非线性阻尼动力响应的影响

5．1 引言

5．2 非线性动力问题的数值求解

5．2．1 用振型位移叠加法进行反应分析

5．2．2 基于非线性阻尼的OpenSEES动力分析方法

5．3 考虑钢筋粘结滑移FRP约束钢筋混凝土柱非线性阻尼动力响应计算

5．3．1 CFRP约束钢筋混凝土柱在简谐荷载作用下的时程分析

5．3．2 CFRP约束钢筋混凝土柱在地震荷载作用下的时程分析

5．4 本章小结

6 结论及展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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