低性能RC结构倒塌安全储备与FRP抗震加固

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近年来在全世界范围内频繁发生强烈地震,地震的发生对结构产生严重破坏,造成严重的人员伤亡和财产损失。而我国又是一个地震多发国家,在城市中大量的RC框架结构是地震作用时主要的承灾体,其中对于采用1970年以前旧规范设计的低延性RC结构和处于沿海地带氯盐侵蚀环境下的锈蚀RC结构这类低性能RC结构由于缺乏足够的延性和耗能能力更易在强震作用时发生严重破坏甚至倒塌,因此对此类结构的抗震加固迫在眉睫以提高其抗震能力。纤维增强复合材料(FRP)由于具有大的比强度与比模量、良好的耐腐蚀性能与耐久性性能和易于应用等特点,广泛的运用在结构的抗震加固领域。结构的抗倒塌能力是基于性能抗震设计的核心目标,采用倒塌安全储备为指标指导FRP抗震加固,以保证加固后结构在具有足够抗倒塌能力的前提下,避免不必要的经济浪费,使加固更为合理。本文主要的研究内容如下:(1)针对低延性RC框架结构梁柱节点在数值模拟层面进行了模拟与FRP抗震加固。先对目前已有的三种定参理论针对FRP加固前后低延性梁柱节点的适用性进行了讨论分析,然后在认为可行的斜压杆理论的基础上分别对FRP加固前与FRP加固后情况的约束假定和强度折减假定进行了改进,提出了对低延性梁柱节点及FRP加固后节点的定参方法。最后采用OpenSees对FRP加固前后低延性梁柱节点组合体进行了数值模拟,并与实验结果相比较,该定参方法得到验证。实现了梁柱节点的精细化建模,为接下来RC低延性结构的建模分析打下基础。(2)针对低延性RC框架结构刻画了其初始损伤与推覆作用下的整体损伤发展,并基于加固目标倒塌安全储备系数(CMR)对抗倒塌能力不足的低延性RC结构在数值层面进行了FRP抗震加固。首先采用多模态损伤模型刻画了低延性RC结构相较新建完好结构的初始损伤与在推覆作用下的整体损伤发展,并对其进行了基于推覆(pushover)分析的倒塌安全储备能力的评估,然后考虑加固结构的后续使用寿命的基础上提出了加固目标CMR值,以此来指导低延性RC结构的FRP抗震加固,在保证加固结构在后续使用寿命内具有充足的抗倒塌能力的前提下,使加固更为经济合理。通过算例印证了损伤刻画的合理性和以加固目标CMR值指导加固的可行性。(3)针对锈蚀RC框架结构探讨了其初始损伤的刻画与在强震作用下整体损伤的发展,并在此基础上基于倒塌安全储备系数CMR实现了FRP的抗震加固,体现了锈蚀及FRP加固锈蚀结构CMR的时变性。仍采用OpenSees数值模拟方法,用多模态损伤模型刻画了锈蚀结构初始损伤并探讨分析了钢筋锈蚀程度对结构初始损伤的影响及在强震作用下锈蚀结构整体损伤的发展趋向,并考虑锈蚀RC结构不同剩余使用年限采用基于增量动力分析(IDA)的倒塌安全储备能力的方法来评估锈蚀结构的倒塌安全储备能力。对于抗倒塌能力不足的锈蚀RC结构,采用FRP对其进行抗震加固,考虑了三个具有代表性的加固时间节点及FRP加固后钢筋锈蚀的发展情况。通过算例印证了对锈蚀RC结构整体和初始损伤的合理性,体现出锈蚀及FRP加固后结构CMR具有时变性的特点。最后采用pushover方法对算例结构进行了倒塌安全储备分析,pushover分析方法相较IDA方法来说会高估结构的抗倒塌能力,但两者误差在可接受范围内。(4)横向对比了低延性RC结构和锈蚀RC结构的倒塌安全储备能力评估结果。印证了多模态损伤模型中倒塌判别准则的适用性与在低延性RC结构和锈蚀RC结构中所选用的完好结构的可行性。
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