钢—连续纤维复合筋增强混凝土柱抗震性能与设计方法研究

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随着社会、经济的发展,重要建筑和生命线工程的设计理念正从“抗倒塌”设计向震后“可修复”设计转变,基于“可修复”设计是基于性能(功能、性态)设计的深化和发展。课题组结合纤维复合材料(FRP)和钢筋的特点,进行优势互补而提出了钢-连续纤维复合筋(SFCB)。SFCB具有较高的初始刚度和稳定可设计的屈服后二次刚度,可以减小结构(比如桥梁)的震后残余位移,从而提高结构可修复性。  本文首先从材料层次上对SFCB的拉伸骨架曲线和往复拉伸性能进行了计算比较,验证了SFCB本构关系符合复合法则。在钢筋和FRP筋抗压性能计算的基础上,研究了SFCB不同参数下的抗压性能,提出SFCB的受压失效模式和等效失稳应力概念。对SFCB与混凝土在单向拉伸荷载下的黏结性能进行了试验研究,分析了SFCB黏结受力机理和拉拔试验破坏模式。  在截面层次上,研究了SFCB增强混凝土柱截面弯矩-曲率性能,提出了基于无量纲弯矩的截面屈服弯矩-曲率回归公式。对SFCB混凝土柱截面最大可能弯矩-曲率、峰值点弯矩-曲率进行了参数分析,研究了二次刚度比、FRP断裂应变和混凝土受压极限应变等参数对SFCB截面弯矩-曲率的影响。  在构件层次上,对SFCB增强混凝土柱进行了静力荷载和动力荷载作用下的性能研究。静力性能方面,基于4个SFCB柱和1个RC对比柱,进行了低周反复荷载作用下的拟静力试验研究。研究了SFCB柱柱脚变形场分布、裂缝发展、刚度退化、强度退化和耗能等指标。在计算结果和试验结果吻合较好的基础上,研究了多参数SFCB柱的推覆性能,提出了考虑柱脚纵筋滑移、FRP断裂应变、轴压比和剪跨比等参数的SFCB柱屈服位移、峰值位移的拟合公式。SFCB混凝土柱动力性能研究方面,首先基于等初始刚度和等承载力原则分别对SFCB柱进行了变化二次刚度比的定性时程分析,进而对等初始刚度SFCB柱进行了变化二次刚度比的非线性时程参数分析。地震动选取了含加速度脉冲或速度脉冲的近场强地震动,变化峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)进行了参数分析,研究SFCB柱的平均峰值位移和残余位移响应。在此基础上,对SFCB柱的残余位移进行了基于概率的易损性评价。在动力性能理论分析基础上,进行了SFCB柱振动台试验研究,研究了自振频率、阻尼比、加速度响应、位移响应、应变分布和柱脚平均曲率峰的变化,并对SFCB柱振动台性能进行了初步的计算和试验结果的比较。  在设计方法方面,在静力参数分析的基础上,研究了基于SDOF系统的考虑延性系数、二次刚度比和阻尼比等参数的SFCB柱反应谱。在基于位移设计方法的基础上,讨论了SFCB柱设计设计方法。比较分析了基于SFCB柱塑性铰机理和传统RC柱塑性铰机理对SFCB柱等效塑性铰长度的影响。参考既有的混凝土评价方法,提出SFCB柱性态评价指标。基于非线性时程分析结果,讨论了基于残余位移的SFCB柱设计方法建议。
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