FRP加固钢筋混凝土柱考虑地震及使用损伤的长期性能和修复

论文摘要

对于大量的钢筋混凝土旧桥柱,采用外包FRP加固可以有效提高抗震性能。试验研究表明,通过合理的设计,钢筋混凝土加固柱在强烈地震作用中有足够的延性发展,可以避免结构的整体坍塌。然而,加固柱在经历地震作用后的残余性能方面,还存在研究盲区。例如不同程度地震荷载对外包FRP的影响,损伤柱在长期荷载作用下的破坏准则和工作时限,FRP徐变对损伤柱残余性能的影响,损伤柱的修复手段及抗震性能的恢复情况等。这些问题对于旧桥加固具有重要意义。本学位论文针对上述问题开展了较为系统的研究,主要开展了以下工作:1.完成了8个大比例模型柱的制作和加固,并对其在控制位移下进行了拟静力试验。重点研究了不同侧移率对加固柱造成损伤累积的影响,不同加固材料对抗震性能的影响。2.设计和制作了大尺寸柱的长期荷载试验装置,并利用此加载装置完成了5个损伤柱的长期荷载试验。试验中,获取了不同损伤程度加固柱在长期荷载作用下的试验数据,同时考虑了不同大小轴压荷载的影响。3.采用龄期调整有效模量法(AEMM)计算混凝土徐变,结合Findley模型计算FRP徐变,建立了损伤加固柱的徐变计算模型。计算中遵循静力平衡和变形协调原则,并引入了损伤程度的影响,考虑了密封状态、三向应力状态、徐变泊松比、纵向钢筋引起的应力松弛、应力历史等对混凝土徐变的影响。采用其他研究者的数据以及本试验的数据对计算模型进行了验证,并且采用计算模型对各种徐变影响参数进行了计算分析,对损伤柱的徐变破坏时限进行了预测4.采用注射环氧树脂以及外包FRP等方法对3个损伤柱进行了修复,并完成了修复柱在地震荷载再次作用下的模拟试验。通过对以上试验和分析,本文的主要研究成果如下:1.对于横向钢筋配置不足的钢筋混凝土压弯柱,外包FRP加固可以有效提高结构柱的承载力和延性,并且改变了结构柱的破坏形式。外包FRP加固基本上不改变结构柱的侧向刚度,而侧向承载力有一定程度提高,延性得到很大程度的改善。因此,外包FRP加固在基本不改变整体结构动力特性的基础上,极大的提高结构柱的抗震性能。加固柱的荷载退化和刚度退化显著小于未加固柱,外包FRP加固提高了结构柱在侧移率较大情况下承载能力的稳定性。加固柱的地震耗能能力大大高于未加固柱,但两种不同类型加固柱的耗能能力差别不大。GFRP虽然弹性模量和极限强度远低于CFRP,但以等强度原则设计的抗震加固效果基本一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 外包钢加固
• 1.2 预应力加固
• 1.3 加大截面加固
• 1.4 柱间浇注填充墙加固
• 1.5 外包 FRP 加固
• 1.6 外包 FRP 加固钢筋混凝土柱抗震研究中存在的问题
• 1.7 本文的研究目的
• 1.8 主要研究内容
• 第2章 相关研究成果及研究现状
• 2.1 混凝土的徐变
• 2.1.1 基本流变模型
• 2.1.2 徐变计算方法
• 2.1.3 非线性的影响
• 2.1.4 多轴应力的影响
• 2.1.5 徐变应力历史的影响
• 2.1.6 密封条件的影响
• 2.2 FRP 的徐变
• 2.3 复合柱的徐变
• 2.4 本研究项目的创新之处
• 2.5 研究中的主要难点
• 第3章 钢筋混凝土桥柱的抗震试验设计
• 3.1 引言
• 3.2 试验设计
• 3.3 试件制作
• 3.4 试件加固
• 3.4.1 材性试验
• 3.4.2 加固设计
• 3.4.3 加固施工
• 3.5 抗震试验方法
• 3.5.1 试验方法和加载制度
• 3.5.2 试验装置
• 3.6 应变测点布置
• 3.6.1 应变片粘贴
• 3.6.2 纵筋测点布置
• 3.6.3 箍筋测点布置
• 3.6.4 FRP 测点布置
• 3.7 本章小结
• 第4章 钢筋混凝土桥柱抗震性能的试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 试验观察和破坏形态
• 4.3 骨架曲线
• 4.4 荷载退化
• 4.5 刚度退化
• 4.6 滞回性能
• 4.7 应变分析
• 4.7.1 CA-1 柱应变
• 4.7.2 CCR-1 柱应变
• 4.7.3 CGR-1 柱应变
• 4.7.4 应变对比分析
• 4.8 损伤分析
• 4.9 本章小结
• 第5章 损伤柱的长期荷载试验及研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验研究
• 5.2.1 试验方案
• 5.2.2 试验装置和试验方法
• 5.2.3 试验结果
• 5.3 试验结果分析
• 5.3.1 长期荷载作用混凝土的变形
• 5.3.2 影响混凝土徐变和收缩的主要因素
• 5.3.3 损伤柱在轴压力作用下的瞬时轴向应变
• 5.3.4 损伤柱的环向残余变形
• 5.3.5 核心混凝土的徐变和收缩模型
• 5.3.6 ACI 209 模型分析
• 5.4 带损伤加固柱的徐变计算方法
• 5.4.1 混凝土的徐变计算方法
• 5.4.2 FRP 徐变计算方法
• 5.4.3 徐变模型化的影响因素
• 5.4.4 损伤加固柱的徐变计算模型
• 5.4.5 计算模型验证
• 5.4.6 正常使用条件下的参数分析
• 5.4.7 加固柱徐变破坏时限分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 损伤柱修复后抗震性能的试验研究
• 6.1 概述
• 6.2 试件修复
• 6.3 应变测点布置
• 6.4 试验观察和破坏形态
• 6.5 滞回性能和骨架曲线
• 6.6 荷载退化分析
• 6.7 刚度退化分析
• 6.8 抗震耗能分析
• 6.9 外包 FRP 的应变分析
• 6.10 本章结论
• 结论
• 参考文献
• 附录 A（攻读博士学位期间发表的论文）
• 致谢