双向地震作用下RC矩形柱CFRP加固前后的抗震性能研究

摘要

纤维增强复合材料（Fiber-Reinforced Polymer, FRP）由于质强比高、易施工、耐腐蚀等优良性能，在结构加固与改造中应用越来越广泛。钢筋混凝土（Reinforced Concrete, RC）矩形柱是框架结构与桥梁结构中常见的柱类型，其FRP抗震加固研究与圆柱和方柱相比起步较晚，已有研究结果表明 FRP加固RC矩形柱可明显改善其抗震性能。实际地震发生时，地震作用可能以任意方向作用于结构上，而已有关于FRP加固RC柱抗震性能的研究，多采用单向水平往复荷载下的拟静力试验和数值模拟分析方法，对双向地震作用下抗震性能的研究较少。已有研究表明：双向水平荷载作用下矩形柱的抗震性能表现出明显的双轴耦合效应，即一个方向上的损伤累积对与之正交的另一个方向的性能产生不利影响，这种现象在截面高宽比较大的RC矩形柱中表现尤为突出。相关试验研究表明，双向水平地震作用下的抗震性能可以通过一系列不同加载角度斜向水平荷载作用下的拟静力试验进行考察。
　　因此，针对目前足尺 RC矩形柱双向抗震性能研究的不足，本文通过斜向水平荷载作用下的伪静力试验，对FRP加固前后足尺RC矩形柱双向抗震性能和规律进行了详细研究，并基于OpenSees数值模拟进行了多参数扩展分析，定性的分析了纵筋布置、截面高宽比等参数对抗震性能的影响并提出了CFRP加固中等截面矩形柱的有效加固高度，最后通过试验结果对双向抗剪承载力相关规范进行了验证，并提出了弱轴折减系数和CFRP加固后双向承载力的设计建议。主要研究内容如下：
　　1.试验方面：开展了10个足尺CFRP加固前后RC矩形柱不同角度斜向水平荷载作用下的伪静力试验，试验结果表明：1)加载角度的变化对 RC矩形柱的初始刚度和承载力影响较明显，对延性和耗能能力影响较小；加载角度对FRP加固试件的初始刚度、承载力、延性和耗能能力影响均十分明显，其中延性和耗能最为显著。2)相同加载角度时，CFRP加固后对初始刚度和峰值承载力影响较小，对延性和耗能能力有显著提高；加载角度为0度和30度时，延性和耗能提高最显著。
　　2.模拟分析方面：通过数值模拟与试验数据对比，结果吻合较好。并基于OpenSees平台进行大量工况参数扩展分析，分析结果如下：1)截面高宽比从1向2.3变化时，FRP加固前后水平承载力均遵循椭圆规律；当截面高宽比大于2时，不宜仅采用FRP进行加固；2)当纵筋布置系数a大于1时，水平承载力最弱角度随着截面高宽比的增加由45度向90度方向转移，设计时应尽量避免出现；3）截面短边边长不大于400mm的大剪跨比矩形柱，有效加固高度与短边边长成部分正相关性，建议有效加固高度取为B~1.25B。
　　3.基于试验结果对规范的建议：RC矩形柱试件（剪跨比大于3、轴压比大于0.3）加载角度与强轴夹角大于45度时，现有规范双向抗剪承载力计算不安全；建议对弱轴承载力采用小于等于0.85的折减系数；CFRP加固对双向抗剪承载力影响不大，建议采用未加固柱折减后的抗剪承载力指导设计。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 拟开展的研究工作

第2章 双向地震作用下RC矩形柱CFRP加固前后的伪静力试验

2.1引言

2.2试验概况

2.3本章小结

第3章 试验现象与结果分析

3.1引言

3.2 试验现象

3.3 水平力-位移滞回曲线

3.4 水平力-位移骨架曲线

3.5 能量耗散

3.6 等效粘滞阻尼比

3.7 有效刚度

3.8 本章小结

第4章 有限元模拟与试验结果对比分析

4.1引言

4.2 OpenSee有限元建模

4.3 ABAQUS有限元建模

4.4 模拟分析结果验证

4.5 本章小结

第5章 基于OpenSees参数扩展分析与双向抗剪承载力验证

5.1引言

5.2 截面高宽比和钢筋布置的扩展分析

5.3不同矩形截面CFRP有效加固高度的研究

5.4 矩形柱双向抗剪承载力研究

5.5 本章小结

结论

研究展望

参考文献

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