FRP加固钢筋混凝土柱截面分析及地震损伤性能设计

论文摘要

自1995年美国学者提出基于性能的抗震设计（英文简称PBSD）的概念以来,这种思想已被世界各国地震工程界所接受和发展。在强烈地震下,显著的弹塑性变形和累积滞回耗能会使建筑物受到严重的破坏。通过损伤抗震设计可以合理地评估其在大震作用下的抗震性能。纤维增强塑料（英文简称FRP）被越来越多地应用到修复抗震能力不足的建筑。国内外学者对FRP加固混凝土柱和桥墩等构件的抗震能力都有较为深入的研究,但是对FRP加固的混凝土结构抗震性能研究相对较少,对于基于损伤的FRP加固混凝土结构抗震设计研究则基本空白。本文首先针对FRP加固的钢筋混凝土柱进行截面非线性分析,编制了相应的程序。将计算结果与试验数据比较,验证了程序的有效性。进而,通过大量算例计算了截面的弯矩—曲率关系,并绘制了N-M相关曲线,得出单向和双向FRP布都能明显提高柱子的延性,并且双向FRP布还提高了柱子的极限弯矩的结论。在一些假定下,推导了FRP加固钢筋混凝土柱前后截面混凝土开裂、钢筋受拉屈服、钢筋受压屈服、混凝土压碎和双向FRP纵向纤维拉断五种状态的弯矩—曲率公式,通过算例与非线性程序的比较,验证了公式的准确性,并建议单向FRP约束柱简化恢复力模型采用大偏心时的三折线和小偏心时的三折线与二折线：双向FRP约束柱简化恢复力模型大偏心时采用三折线,小偏心时均可采用二折线。所有这些结论都是在FRP强约束柱的假定下得到的。根据现行规范设计了一座5层剪切型钢筋混凝土框架,利用改进的能力谱法结合损伤设计对其在8度设防烈度下FRP加固前后的抗震性能进行了分析。通过算例阐述了FRP基于损伤性能设计的具体过程,说明了FRP加固结构薄弱层对结构整体延性有极大的提升,对结构整体损伤有大幅的降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 FRP加固背景
• 1.1.2 PBSD相关背景
• 1.1.3 课题研究的意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 FRP抗震约束柱研究现状
• 1.2.2 PBSD研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 FRP约束钢筋混凝土柱截面非线性全过程分析
• 2.1 引言
• 2.2 材料的应力—应变关系
• 2.2.1 混凝土本构模型
• 2.2.2 钢筋本构模型
• 2.2.3 FRP约束混凝土本构模型
• 2.3 FRP约束混凝土强度公式
• 2.3.1 圆柱公式
• 2.3.2 矩形柱公式
• 2.4 非线性理论
• 2.4.1 基本假定
• 2.4.2 有限单元模型
• 2.4.3 刚度矩阵及迭代法
• 2.5 试验数据与程序预测结果比较
• 2.5.1 方、矩形柱计算结果
• 2.5.2 圆柱计算结果
• 2.6 参数分析
• 2.6.1 算例设计
• 2.6.2 算例结果
• 2.6.3 算例总结
• 2.7 本章小结
• 第三章 FRP约束钢筋混凝土柱截面简化分析
• 3.1 引言
• 3.2 基本假定
• 3.3 钢筋混凝土柱各种情况分类
• 3.3.1 混凝土开裂
• 3.3.2 远轴力侧钢筋受拉屈服
• 3.3.3 近轴力侧钢筋受压屈服
• 3.3.4 混凝土压碎
• 3.4 钢筋混凝土柱各种情况弯矩公式
• 3.4.1 混凝土开裂
• 3.4.2 远轴力侧钢筋受拉屈服
• 3.4.3 近轴力侧钢筋受压屈服
• 3.4.4 混凝土压碎
• 3.5 FRP约束柱各种情况分类
• 3.5.1 混凝土开裂
• 3.5.2 远轴力侧钢筋受拉屈服
• 3.5.3 近轴力侧钢筋受压屈服
• 3.5.4 混凝土压碎
• 3.5.5 纵向FRP拉断（双向纤维布）
• 3.6 FRP约束柱各种情况弯矩公式
• 3.6.1 混凝土开裂
• 3.6.2 远轴力侧钢筋受拉屈服
• 3.6.3 近轴力侧钢筋受压屈服
• 3.6.4 混凝土压碎
• 3.6.5 纵向FRP拉断（双向纤维布）
• 3.7 界限状态弯矩公式
• 3.7.1 钢筋混凝土柱
• 3.7.2 单向和双向FRP约束柱
• 3.8 算例分析
• 3.8.1 手推公式与程序计算结果比较
• 3.8.2 弯矩—曲率图
• 3.8.3 简化折线图
• 3.9 本章小结
• 第四章 基于损伤性能的FRP加固混凝土框架抗震设计
• 4.1 引言
• 4.2 推覆分析方法的原理与基本假定
• 4.3 能力谱方法
• 4.4 改进能力谱法
• 4.4.1 基本步骤
• 4.4.2 侧向加载方式
• 4.4.3 等效单自由度体系
• 4.4.4 简化二折线方法
• 4.4.5 等效SDOF能力谱及周期
• 4.4.6 强度折减系数
• 4.4.7 地震需求曲线
• 4.4.8 结构目标位移
• 4.5 结构损伤性能设计
• 4.5.1 地震损伤模型
• 4.5.2 损伤模型简化计算
• 4.5.3 整体损伤设计
• 4.6 五层钢筋混凝土框架算例分析
• 4.6.1 算例基本资料
• 4.6.2 柱子基本情况
• 4.6.3 编制Pushover程序
• 4.6.4 未加固结构NSP分析
• 4.6.5 加固后结构NSP分析
• 4.7 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 符号变量表
• 附录B 试验数据统计表
• 附录C 单向FRP片材约束钢筋混凝土柱截面非线性分析程序
• 致谢