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钢筋混凝土(RC)柱是结构的主要抗侧力构件之一,RC柱在地震中如果发生损坏将会带米灾难性的后果。国内外学者对于如何有效地提高RC柱抗震性能已经进行了大量的研究。纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer 简称FRP)由于其良好的性能在抗震加固中有很多优势,特别是环向包裹FRP来提高RC柱抗震性能得到了广泛的重视,已经在工程实际中得到了大量的应用。对于FRP加固RC抗震性能的研究工作也已经开展了很多,虽然这方面的研究已有大量的文献发表,但理论研究大多以定性研究为主,缺乏系统定量的表达方法。本文进行了21根大比例尺寸的FRP加固RC圆柱低周反复荷载试验研究,对轴压比、剪跨比、FRP种类和用量以及混杂加固、二次受力效应等因素对抗震性能的影响都做了研究。本文的主要工作有:
关于FRP加固柱受剪承载力的计算,首先根据收集到的31个发生剪切破坏RC圆柱试件数据对于目前主要的受剪承载力计算公式进行评估,重点对RC圆柱受剪承载力与位移延性系数的变化关系进行研究。为了确定FRP加同圆柱受剪计算时FRP有效应变取值方法,对加固柱不同的破坏模式进行了试验研究,得到了FRP用量对FRP应变发展速度的影响规律。研究表明控制了破坏状态FRP的可用有效应变,就控制了FRP加固柱的破坏模式。根据试验结果,提出了不同于现有FRP加固规程的受剪承载力计算思路,建议了受剪计算时FRP的有效应变确定方法。本文提出的方法不仅可以对FRP加固RC圆柱最终受剪承载力进行计算,还可以对加固柱的破坏模式进行准确判断。
试验结果表明RC柱侧向变形能力主要与轴压比和配箍率有关,目前对于RC圆柱变形能力仍然缺乏定量计算方法。本文通过对箍筋约束混凝土Mander本构模型的简化分析,得出了箍筋约束混凝土最大应力和极限应变与配箍特征值的线性关系。将Mander 模型应力—应变关系曲线等效为矩形应力图,并对三角函数形式的RC圆形截面平衡方程进行线性化处理,得到了截面受压区高度的计算方法。根据箍筋约束混凝土极限应变和受压区高度可以得到截面极限曲率表达方式,根据现有的截面屈服曲率计算方法可以得到截面的曲率延性系数的计算方法,和试验结果比较显示本文提出的方法具有较高的精度。根据截面的曲率延性系数,运用集中塑性铰法建立了RC圆柱侧向位移角和轴压比以及塑性铰区配箍特征值的函数关系。和收集到的27个大尺寸RC圆柱试验结果比较表明本文计算公式与试验结果在平均意义上吻合很好,并且离散性很小。本文提出的RC圆柱侧向位移角计算方法可以对现有RC圆柱抗震变形能力进行评估,并可以根据设计者提出的变形要求确定相应的约束箍筋用量。根据本文提出的方法,可以对“中震可修”侧向位移角进行定量计算,为基于不同变形要求的性能设计方法打下了基础。
目前对FRP加固RC圆柱侧向位移计算缺乏有效的方法。参考箍筋约束的情况可以得到FRP约束RC圆柱截面受压区高度计算方法,通过轴压下的FRP约束混凝土极限应变计算截面极限曲率,运用集中塑性铰法计算的侧向位移角相比试验值普遍偏小,并且离散性较大。对本次试验不同种类FRP加固试验结果并结合现有试验数据研究表明,FRP约束强度比是延性加固效果的决定性影响因素。在此基础上提出了加固柱侧向位移角的定量计算方法,可以通过约束强度比把FRP的约束效果等效为箍筋。对于FRP和箍筋共同约束塑性铰区的情况,本文提出的方法也可以对侧向位移角进行定量计算。
根据RC圆柱截面受压区高度计算方法结合规范公式可以对RC圆柱正截面受弯承载力进行计算,克服了规范公式要进行迭代的不足;根据FRP加固RC圆柱截面受压区高度计算方法,本文提出了FRP加固RC圆柱正截面受弯承载力的计算方法,和试验结果吻合很好。用毛截面刚度表示截面的有效刚度会带来比较大的误差,根据现有RC圆柱试验结果,本文提出了RC圆柱截面有效刚度计算方法,主要和轴压比和剪跨比有关。在此基础上本文建立了RC圆柱二折线骨架曲线模型、FRP加固RC圆柱三折线骨架曲线模型。本文建议的骨架曲线和试验结果吻合较好,特别是确定的屈服位移和试验结果相比有较高的精度。