基于屈服后刚度的FRP复合加固RC柱抗震性能研究

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结构震后的可修复性能是基于性能抗震设计方法的重要组成部分并越来越为人们所重视,而残余变形作为结构可修复性能的重要指标,它的减小对于震后结构的快速修复与灾后应急具有十分重要的理论和现实指导意义。已有研究表明:结构具备稳定的屈服后刚度,它可以显著地减小结构的残余位移。基于此,本文采用FiberreinforcedPolymer(简称FRP)复合加固的方法,即:(a)植入FRP筋,使结构具有稳定的屈服后刚度,提高结构承载力同时提高其震后可修复性能;(b)外包FRP布,通过FRP的约束效应有效地提高了结构的延性和耗能性能。共进行了 5根FRP复合加固的钢筋混凝土(RC)圆柱以及1根对比RC柱的拟静力试验,然后对其进行了数值分析和理论研究,主要工作与成果如下:(1)对墩柱的可修复性能评估方法进行了研究。首先采用Bispec程序对墩柱进行动力时程分析,通过振动台模型试验验证了该程序可以准确模拟墩柱残余位移和最大弹塑性位移。在此基础上,对不同单自由度(SDOF)系统进行了动力时程分析,建立了残余位移比谱,并研究了屈服后刚度比、场地类型、基本周期和位移系数比等参数对残余位移比谱的影响。提出基于残余位移比谱的可修复性能评价方法,它可以对单自由度体系结构的残余变形进行定量计算及震后可修复性能评估。并以一抗震性能不足的墩柱为例,详细阐述了原墩柱以及加固后墩柱震后残余变形和可修复性能评估方法,研究表明:RC墩柱进行FRP筋布复合加固和钢筋复合加固,加固柱都能满足规范规定的最大柱顶容许位移,但是采用FRP筋布复合加固后残余位移比钢筋复合加固小32.7%,可见FRP筋布复合加固柱具有更好的可修复性能。(2)采用FRP筋复合加固的方案对6根RC圆柱加固及拟静力试验,重点研究了破坏模式、承载力、位移延性系数、刚度退化、耗能能力及可修复性能(包括屈服后刚度、残余位移和损伤指数),结果表明:FRP复合加固试件(RC1柱)比未加固RC柱承载力提高了 31.4%,延性提高了 36%,耗能能力提高160%;以最大可能残余位移和改进的Park-Ang损伤模型为可修复性能评价指标,RC1柱可修复性能分别提高44.4%和47.2%。(3)基于Opensees有限元分析软件对加固后墩柱构件的力学性能进行了数值模拟,结果表明建立的数值模型计算结果与实验结果吻合较好。在此基础上进行参数分析,变换墩柱长径比、轴压比、配筋率和BFRP筋的配筋率等参数,拟合出屈服后刚度计算公式。(4)通过理论分析建立了 FRP复合加固RC圆柱的荷载-位移恢复力模型,结果表明建立的理论模型计算结果与实验结果吻合较好。在此基础上给出了 FRP复合加固柱的简化设计方法,并提出了 FRP复合加固设计建议及相应的构造措施。
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