反复荷载下矩形钢管混凝土柱的抗震性能Ⅱ:分析研究

文中首先提出了钢管与内填混凝土界面的粘结-滑移滞回模型，建立了考虑包兴格效应的钢材单轴滞回模型和考虑矩形钢管约束效应后内填混凝土的单轴应力-应变滞回模型。在截面纤维模型的基础上，建立了考虑界面粘结-滑移的矩形钢管混凝土柱分析模型，用Fortran语言编制了相应的全过程分析程序。对作者等完成的试件进行了滞回全过程数值模拟计算，分析与试验结果在荷载-位移和荷载-应变两种层次上进行了对比。之后，利用该分析程序对矩形钢管混凝土柱中有代表性的混凝土和钢单元应力-应变发展全过程进行了跟踪分析。最后，以典型试件为对象，分析了钢-混凝土界面切向粘结强度对柱滞回性能的影响。本文工作可为从事组合结构研究时提供参考。     

温度对CFRP-混凝土界面粘结滑移行为的影响

将粘贴碳纤维(CFRP)粘贴于混凝土表面来加固钢筋混凝土结构的方法,由于施工便捷而被广泛应用。但是粘贴CFRP所用的环氧类胶黏剂对温度过于敏感,明显影响加固效果。尤其是用CFRP加固的混凝土结构的耐火性能很差,限制了这一加固技术的推广。本文在先后2次对不同温度下CFRP-混凝土界面粘结滑移行为试验研究的基础上,结合目前已有的研究成果,对CFRP-混凝土界面粘结滑移行为受温度影响的特性进行评述,并从材性方面对温度对界面的粘结滑移行为的影响进行了机理分析,为分析常温下CFRP加固混凝土结构受力性能和高温(火灾)下防火保护的CFRP加固混凝土结构抗火性能提供了依据。     

反复荷载作用下矩形钢管混凝土柱的滞回性能研究

文中首先建立了钢管与核心混凝土界面的粘结-滑移滞回模型、考虑包辛格效应的钢材单轴滞回模型和考虑矩形钢管约束效应后内填混凝土的单轴应力-应变滞回模型.在截面纤维模型的基础上,建立了考虑界面粘结-滑移的矩形钢管混凝土柱分析模型,用Fortran语言编制了相应的全过程分析程序.考虑轴压比和截面高宽比两个因素,对19个矩形钢管混凝土试件进行了数值模拟计算,并对荷载-位移滞回关系进行了初步的理论分析.     

十字带侧板型抗剪连接件受剪性能试验研究

提出一种十字带侧板型抗剪连接件,以混凝土强度、抗剪连接件长度、抗剪连接件数量为参数设计四个试件,并进行往复加载试验,研究其破坏形态、剪力-位移曲线、骨架曲线、初始刚度、抗剪承载力和应变等指标。结果表明:四个试件的破坏形态基本一致,均由抗剪连接件与混凝土梁连接处率先产生裂缝,并向上端和下端发展,在混凝土出现压溃后达到极限状态;剪力-滑移曲线走势基本相同,均包括初始弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。另外,提高混凝土强度可增大试件初始刚度达16.44%,并能有效降低位移及应变;增大抗剪连接件长度仅提高试件初始刚度的4.25%,且对位移和应变的影响也较小;提高抗剪连接件数量可使初始刚度增大47.82%,抗剪连接件始终处于弹性,且有效减小位移和混凝土损伤,以及提高试件承载能力,满足弯剪分离式组合连接节点预期1mm最大位移的要求。     

CFRP布加固损伤钢筋混凝土框架的抗震试验研究

将用碳纤维布加固的损伤混凝土框架结构试件,进行水平低周反复荷载作用下的试验研究.根据试验现象和数据,分析了碳纤维布加固损伤混凝土框架结构在模拟地震作用下,裂缝及塑性铰出现的顺序和位置;绘出了试件的滞回曲线、骨架曲线.结果表明碳纤维布加固损伤框架结构有较好的耗能能力;延性系数达到4.5;其耗能机制是"梁端和柱端均屈服的混合机制",建议CFRP布横向加固至柱和基础连接处的根部.     

CFRP布约束增强高强混凝土柱抗震性能数值分析

采用地震工程开源模拟软件OpenSees（Open System for Earthquake Engineering Simulation）对CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer,碳纤维增强复合材料）布加固高强钢筋混凝土方柱的抗震性能进行了数值分析。采用Steel02Material和Concrete02Material材料本构模型模拟了CFRP布加固高强混凝土方柱的抗震性能;在此基础上,进一步研究了轴压比和剪跨比这2个因素对试件抗震性能的影响。将所得数值分析结果与相同条件下的试验结果对比后发现：基于Steel02 Material和Concrete02 Material材料本构,利用OpenSees,可以较好地模拟CFRP布加固高强混凝土方柱的抗震性能,并且与试验结果（滞回曲线、骨架曲线、水平承载力和位移延性系数）能够较好地吻合,从而说明该数值分析方法还可以准确地反映出轴压比和剪跨比对高强混凝土柱抗震性能的影响规律。     

不同应变速率CFRP约束混凝土单轴受压本构关系的试验研究

针对目前我国尚无CFRP约束混凝土方柱在不同应变率下的动态试验研究,设计了一套能够满足不同应变速率的动态单轴受压试验装置,并对83个碳纤维布约束混凝土在不同应变速率、不同包裹层数、不同混凝土强度下进行了单轴受压试验研究,得到了不同应变速率下CFRP约束混凝土的轴向应力应变关系.试验结果表明,不同应变率下其应力应变曲线的形状大致相同,随着加载速率的提高,CFRP约束混凝土的抗压强度也也随之提高.     

PET FRP与混凝土界面黏结行为试验研究

通过双面剪切试验对24个试件进行高延性纤维增强复合材料（PET FRP）与混凝土界面黏结性能研究,研究参数包括FRP种类、FRP黏结厚度、黏结长度和黏结宽度;分析各参数对PET FRP与混凝土黏结性能的影响,基于试验结果评估现有黏结滑移关系模型,并进行模型修正。研究结果表明,在有效黏结长度内,随着黏结长度的增加,PET FRP与混凝土界面黏结强度增大;当超过有效黏结长度后,增加PET FRP黏结长度不能明显增加界面黏结强度,但可提高试件破坏的延性;增加PET FRP黏结宽度可提高界面黏结强度,但会受PET FRP黏结宽度和混凝土宽度比值的影响;当界面刚度接近时,碳纤维增强复合材料（CFRP）与混凝土界面黏结强度远小于PET FRP与混凝土界面黏结强度。     

高强钢筋高强混凝土短肢剪力墙抗震性能试验研究与数值模拟分析

通过对6个L形和6个一字形高强钢筋高强混凝土短肢剪力墙进行拟静力试验和OpenSees有限元模拟相结合的方法,研究构件的抗震性能,得到试件的破坏形态及滞回曲线,骨架曲线,承载力等性能指标,并模拟分析了同高厚比下试件的轴压比依次从0.1增加到0.6,的抗震性能。结果表明:在低周往复荷载作用下试件主要为弯剪破坏;OpenSees能较好的模拟高强钢筋高强混凝土短肢剪力墙的弹塑性行为,试验结果与数值模拟结果吻合较好;采用高强钢筋高强混凝土使试件承载力显著提高,极限位移增大;承载力随轴压比提高,但高轴压比下腹板受压时易造成试件的迅速破坏,承载力迅速降低,提高配箍率使试件承载力提高,且能延缓试件端部损伤,提高试件后期的塑形变形能力。     

形状记忆合金绞线与混凝土的粘结滑移性能及影响因素研究

采用拉拔试验对SMA绞线与混凝土之间的粘结滑移性能进行研究,分析了拉拔试件的破坏模式和受力过程,阐述了SMA绞线与混凝土之间粘结滑移的相互作用机理,讨论了拉拔试件粘结滑移性能随混凝土强度、混凝土保护层厚度、SMA绞线锚固长度以及加载速度的变化规律,建立了SMA绞线锚固长度的计算公式。结果表明:拉拔试件的破坏模式以典型破坏为主,其受力过程分为5个阶段:弹性阶段、转动脱胶阶段、内部拥塞阶段、衰减阶段和残余阶段。同时,随着混凝土强度的增大,试件的极限粘结强度也增大;当保护层厚度达到一定数值后,增加保护层厚度对试件的极限粘结强度几乎没有影响;SMA绞线的锚固长度越大,试件的极限粘结强度越小;试件的极限粘结强度会随着加载速度的增大而小幅增大,若加载速度过快,SMA绞线则会发生散捆断裂。此外,所建立的SMA绞线锚固长度计算公式可以考虑多种影响因素,对SMA绞线用于土木工程结构中需要考虑的锚固、搭接和细部构造等结构设计问题具有一定的理论意义及实用价值。     

考虑锈蚀损伤的黏结滑移本构模型

为合理反映钢筋锈蚀后黏结滑移性能劣化对钢筋混凝土(RC)结构抗震性能的影响,在既有黏结应力分布模式的基础上,推导得到钢筋应力-滑移关系,进而通过分析锈蚀对混凝土与钢筋界面黏结滑移机理的影响,建立考虑钢筋锈蚀损伤的黏结滑移本构模型。基于已有拉拔试验结果,与仅考虑纵筋锈蚀率影响的Cheng模型进行对比,验证所建模型的合理性与准确性。基于OpenSees有限元平台,采用纤维梁柱单元和零长度截面单元串联的方式,将所建钢筋黏结滑移模型嵌套于零长度截面单元的钢筋本构中,建立可考虑黏黏结滑移的锈蚀损伤纤维梁柱模型,并通过6根锈蚀RC柱拟静力试验结果验证模型的准确性,结果发现所提考虑黏结滑移的锈蚀RC纤维梁柱模型计算所得滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好,累计耗能最大误差不超过15%。此外,通过参数分析研究影响锈蚀钢筋滑移量的因素,结果表明屈服滑移量与极限滑移量随体积配箍率的增大而明显减小,随混凝土保护层与钢筋直径之比(c/d)增大而变化的幅度较小。     

碳纤维加固严重破坏砌体墙的试验研究

为研究碳纤维布加固严重破坏砌体墙的有效性,开展了4片严重破坏墙体的碳纤维布加固试验,研究了试件在低周反复荷载作用下的试验性能,考查了其破坏形态和破坏特征,对比分析了墙体的承载力、延性和耗能能力等性能。研究表明:采用粘贴碳纤维布加固严重破坏墙体的方法是可行且有效的;加固后墙体的抗剪承载力、变形性能都较原墙墙体有明显提高;碳纤维布布置方法不同,对墙体的约束效果不同;碳纤维布破坏时其应变远小于其极限抗拉应变,建议碳纤维布加固严重破坏墙体时无须使用高强度的碳纤维布。     

往复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土柱黏结滑移模型及数值模拟研究

为实现地震作用下锈蚀钢筋混凝土柱精细化数值模拟分析,基于已有研究成果建立往复荷载作用下锈蚀钢筋与混凝土间的黏结滑移本构模型:结合课题组前期试验结果,采用ABAQUS有限元分析软件对建立的黏结滑移本构模型进行有效性验证,通过对数值计算结果与试验结果之间误差分析,进一步对黏结滑移模型中的摩擦黏结应力系数和退化系数进行修正,最终建立更为合理的锈蚀钢筋与混凝土间黏结滑移本构模型。通过数值计算结果与试验结果的再次比较,验证修正后黏结滑移本构模型的有效性。结果表明:修正后的锈蚀钢筋与混凝土间黏结滑移模型可更好地反映往复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土柱的滞回性能。该成果可为地震作用下锈蚀钢筋混凝土结构的数值分析计算提供理论参考。     

再生空心砌块砌体填充墙-钢管再生混凝土框架骨架曲线模型研究

为研究再生空心砌块砌体填充墙-钢管再生混凝土框架的骨架曲线模型,设计制作了2榀试件并对其进行低周反复加载试验,获取其滞回及骨架曲线。在此基础之上,对试件的骨架曲线模型进行相关的理论分析,建立了再生空心砌块砌体填充墙—钢管再生混凝土框架的四折线骨架曲线模型。研究表明:试件的滞回曲线呈现为饱满的梭形,表现出了良好的抗震耗能性能;通过相关理论分析建立的四折线骨架曲线模型与试验实测骨架曲线吻合良好,可为该类结构在地震作用下的弹塑性地震反应分析提供相关参考。     

震后混凝土缺陷加固修复构件性能实验分析

为避免震后建筑工程加固不合理导致再次受损,并为加固修复工程提供合理化建议,促进震后救灾工作顺利开展,提出震后建筑工程混凝土缺陷加固修复方法的研究。首先,对混凝土梁试件和混凝土柱试件进行设置,研究基于碳纤维布或外包钢套加固方法对混凝土梁和混凝土柱试件展开循环荷载试验;其次,通过混凝土梁试件滞回曲线、骨架曲线、延性及耗能情况,分析不同加固修复方法的混凝土梁试件抗震性能;最后,通过混凝土柱试件延性及耗能、刚度退化和承载力退化情况,分析采用不同加固方法修复的混凝土柱试件抗震性能。试验结果显示：高配筋率可提升混凝土梁试件滞回特性,外包钢套加固混凝土梁试件滞回饱满程度较高、耗能较少,碳纤维布加固梁试件可将加载位移由10 mm延缓至30 mm,提升延性;碳纤维布加固可提升混凝土柱延性,外包钢套加固重度缺陷混凝土柱可以良好抑制其刚度和承载力退化。试验结果验证了碳纤维加固可提升震后建筑工程混凝土结构延性,外包钢套加固可抑制混凝土结构刚度、承载力退化。     

高延性FRP加固大尺寸混凝土柱轴压力学性能研究

现有纤维增强复合材料（FRP）约束混凝土短柱的研究多基于小尺寸试件,对大尺寸试件的研究较少。聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维增强复合材料（PET FRP）和聚萘二甲酸乙二醇酯纤维增强复合材料（PEN FRP）是由回收废弃塑料制成的环保型高延性FRP。高延性FRP具有超过5%的断裂应变,超过传统FRP断裂应变（1.5～3%）。本研究对8个PET FRP约束混凝土圆柱（直径300、400 mm试件各4个）与8个PEN FRP约束混凝土方柱（边长300、400 mm试件各4个）进行轴压力学性能试验,研究构件截面形状、FRP层数等参数对试件轴压力学性能的影响。试验结果表明:高延性FRP约束混凝土柱应力-应变曲线由3个不同的部分组成;部分高延性FRP约束混凝土柱应力-应变曲线第2段出现了下降段,与约束刚度较小有关;相同尺寸的试件,随着高延性FRP层数（厚度）的增加,试件承载力提高,延性更好;对于PEN FRP约束混凝土方柱,在同一轴向变形、高度区域处,环向面应变较环向角应变大,且环向面应变的增加值大于角区域;采用现有高延性FRP约束混凝土柱模型,对约束圆形和方形混凝土柱轴压力学性能提供相对合理的预测。