FRP加固非延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗與分析.pdf

1、近年來發(fā)生的歷次地震中,均有大量的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)由于缺乏足夠的延性和耗能能力而產(chǎn)生嚴重破壞甚至倒塌。這些框架結(jié)構(gòu)大多采用1970年以前的舊規(guī)范進行設(shè)計,僅考慮了豎向荷載而未進行抗震設(shè)計,或由于抗震設(shè)計規(guī)范的修訂而不能滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范,此類框架結(jié)構(gòu)即是本文所研究的非延性鋼筋混凝土框架。目前我國抗震設(shè)防地區(qū)存在大量的此類框架結(jié)構(gòu),其在未來高水準(zhǔn)地震作用下存在較高的嚴重破壞和倒塌風(fēng)險,因此急需進行抗震加固。近二十年來,纖維增強復(fù)合材料

2、(Fiber Reinforced Polymer, FRP)由于其輕質(zhì)、高強和便于施工的優(yōu)點,已在混凝土結(jié)構(gòu)的抗震加固領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對比日益增多的工程應(yīng)用,FRP加固非延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的研究則明顯滯后,各國規(guī)范基本未有針對結(jié)構(gòu)層面的抗震加固設(shè)計方法,即還未解決針FRP加固鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的合理加固方案及量化設(shè)計的兩個關(guān)鍵問題。因此,進行FRP加固非延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究,對避免大量非延性框架結(jié)構(gòu)在未

3、來地震作用下發(fā)生嚴重破壞、實現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值,為我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范和混凝土結(jié)構(gòu)加固規(guī)范的進一步修訂奠定基礎(chǔ)和提供技術(shù)支持。
　　針對目前FRP加固非延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究的不足,本文以材料層面的FRP約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究為切入點,以構(gòu)件層面的FRP加固鋼筋混凝土框架柱抗震性能研究為基礎(chǔ),進行了結(jié)構(gòu)層面的FRP加固鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究,提出了FRP抗震加

4、固非延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計原則,即解決了合理加固方案的問題,初步實現(xiàn)了基于位移的非延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的FRP抗震加固設(shè)計方法,即初步解決了FRP加固用量的問題。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)在材料層面,開展了 FRP約束鋼筋混凝土圓柱和方柱的單調(diào)受壓及反復(fù)受壓試驗,考察了截面形狀和尺寸、內(nèi)部縱筋和箍筋、FRP包裹層數(shù)及預(yù)設(shè)損傷對單軸受壓性能的影響規(guī)律;基于單調(diào)受壓試驗結(jié)果,建立了考慮尺寸效應(yīng)及FRP和箍筋混合約束作用

5、的單調(diào)受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型;基于反復(fù)受壓試驗結(jié)果,建立了考慮鋼筋影響的FRP約束混凝土殘余應(yīng)變和加卸載曲線模型;將建立的單調(diào)受壓應(yīng)力-應(yīng)變模型與加卸載曲線模型結(jié)合,建立了具有較高精度的FRP約束鋼筋混凝土反復(fù)受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滯回模型;在此基礎(chǔ)上,自主開發(fā)了用于構(gòu)件和結(jié)構(gòu)抗震性能分析的基于OpenSees(Open System for Earthquake Engineering Simulation)分析平臺的FRP約束混凝土材料

6、模塊;
　　(2)在構(gòu)件層面,進行了 FRP加固足尺鋼筋混凝土圓柱和方柱的偽靜力試驗,探討了FRP包裹層數(shù)、軸壓比、截面尺寸和形狀對加固柱荷載-位移滯回性能的影響,采用剛度、強度、延性和能量耗散等指標(biāo)對加固前后柱的抗震性能進行了評價,并基于試驗結(jié)果,建立了FRP加固鋼筋混凝土柱的卸載剛度和有效剛度模型;采用OpenSees軟件,基于自主開發(fā)的FRP約束混凝土材料模塊,實現(xiàn)了FRP加固鋼筋混凝土柱荷載-位移滯回抗震性能的精細化數(shù)值模

7、擬分析;基于經(jīng)過驗證的FRP加固鋼筋混凝土柱有限元建模和分析方法,進行了考慮截面形狀和尺寸、軸壓比、剪跨比、混凝土強度、FRP包裹層數(shù)和配筋率影響的Pushover參數(shù)分析,建立了可以用于設(shè)計和宏觀有限元分析的FRP加固鋼筋混凝土圓柱和方柱的荷載-位移恢復(fù)力滯回模型;
　　(3)在結(jié)構(gòu)層面,進行了未加固和CFRP加固后的2個四層兩跨大比例鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的振動臺試驗,基于試驗結(jié)果考察了加固前后結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、地震響應(yīng)及抗震性能的

8、變化,探討了在不同水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)從損傷開始到最終破壞的損傷演化規(guī)律;采用 OpenSees有限元軟件,實現(xiàn)了 FRP加固鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗的有限元模擬分析,驗證了整體結(jié)構(gòu)有限元建模方法的正確性和分析結(jié)果精確性;在此基礎(chǔ)上,進行了不同高度非延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用 FRP加固前后的彈塑性靜力 Pushover分析和動力時程反應(yīng)分析,提出了抗震加固概念設(shè)計原則;以加固柱的極限位移角為目標(biāo)位移,基于建立的加固柱荷載-位移恢復(fù)力