高延性角钢-CFRP复合加固震损框架低周反复试验研究

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强震下混凝土框架结构震损程度满足加固技术和经济性要求时,可采用合理可靠措施进行补强加固。由于震损常发生在梁柱塑性铰区等,在一定区域内剔除破损混凝土保留破损的塑性铰区受力钢筋,缠绕CFRP布进行加固后可达到修复既有结构的目的,同时,考虑到震损框架的底层柱柱底塑性铰转动通常明显,可能存在柱纵筋失效,仅采用CFRP布缠绕加固后,难以恢复其正截面承载力和保证足够的转动能力,提出了对柱-基础间后置高延性不锈钢角钢的复合加固思路,后置的高延性角钢除了补强正截面承载力外,还可在拉压变形过程中参与耗能,其延伸率超过50%的高延性特征,也可作为柱底控制截面纵筋失效后的“二次设防”,避免加固框架结构的倒塌。针对采用高延性不锈钢角钢-CFRP复合加固的震损框架,以轴压比为主要参数,开展了低周反复荷载试验,获得了结构的整体破坏模式和角钢、CFRP布撕裂等局部破坏模式。研究了加固前后框架滞回曲线、水平承载力、骨架曲线、位移延性、刚度退化、抗力衰减、单圈耗能、累积耗能、等效粘滞阻尼系数等,揭示了高延性角钢、框架柱轴压比、损伤程度等因素对加固结构抗震性能的影响规律,总结了高延性角钢-CFRP复合加固法加固框架在低周反复加载中的性能优劣。经高延性角钢-CFRP复合加固后的框架柱根的破坏程度显著降低、框架梁端的破坏较为集中、节点核心区未受破坏,CFRP布的主要破坏模式是拉断破坏,角钢受压屈服并出现残余变形。复合加固框架承载能力明显提高,滞回曲线更加饱满,耗能能力增强,极限位移增大,框架柱转动能力更强,整体加固效果更优。基于试验结果,提出了自相对单圈耗能比和自相对刚度比两个指标用以直观评价试件耗能和刚度的加固效果,分析了角钢应力应变和CFRP布应力应变的范围和增长规律,总结了不同位置、用量的加固材料的实际工作状态和效率。提出了角钢利用率系数,并拟合了角钢利用率系数与自相对单圈耗能比和自相对刚度比计算公式。利用加固材料强度利用率系数、原纵筋损伤系数来考虑拉压侧角钢、CFRP布难以完全发挥材料强度、初始试件框架柱部分严重屈曲纵筋塑性变形和应变软化以及存在拉断的失效钢筋等因素,依据试验结果和现行规范,参考现有研究成果,分析了高延性角钢-CFRP复合加固框架的框架柱角钢截面和角钢竖肢边缘刚度突变截面的承载能力,提出了正截面承载力和斜截面承载力建议计算公式,为实际工程中高延性角钢-CFRP复合加固设计计算提供参考。以材料、加固方案选择、承载力计算和侧移验算为基本内容,给出了高延性角钢-CFRP复合加固震损框架的抗震设计建议。
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