地震荷载作用下FRP加固钢筋混凝土圆柱变形能力计算方法研究

基于性能的抗震设计要求对结构的变形能力能够进行计算,以确保不同的性能目标要求得以满足。该文研究地震荷载作用下纤维增强复合材料(FRP)加固钢筋混凝土(RC)圆柱截面曲率延性和柱顶侧向位移角计算方法。根据数值计算结果,得到了截面屈服曲率计算方法,由试验结果得到了FRP加固RC圆柱截面极限曲率计算方法。试验结果表明加固柱塑性铰长度和FRP用量密切相关,通过对29个大比例柱试验结果进行回归,得到了加固柱塑性铰长度计算方法,并分析了高FRP用量导致加固柱塑性铰长度减小的原因。经参数分析,探讨了FRP用量、轴压比与加固柱顶侧向变形能力的关系,提出了具有理想加固效率的FRP用量上限范围。     

FRP筋-钢筋增强ECC-混凝土组合柱抗震性能研究

提出一种在塑性铰区域采用高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)替代混凝土来改善FRP筋-钢筋增强混凝土柱抗震性能的新方法。对FRP筋-钢筋增强ECC-混凝土构件进行了低周往复荷载试验,系统地考察了基体材料、筋材种类、轴压比对构件破坏模态、裂缝模式、承载力、残余变形、延性和耗能能力的影响。结果表明,将ECC替代塑性铰区域混凝土能够有效避免FRP筋的受压屈曲,进而显著提升组合柱的抗震性能。与钢筋增强ECC-混凝土组合柱相比,复合筋增强ECC-混凝土组合柱的残余变形明显更小,且屈服后的刚度更高。随着轴压比的增大,构件极限强度升高但变形能力降低。通过有限元参数分析可知,组合柱的承载力和变形能力均随着ECC抗压强度及总配筋率的增大而增大;在总配筋率不变的情况下,FRP筋占比越高,构件的延性越好。     

边柱失效后预应力拼接连接装配式结构抗连续倒塌机理研究

为了研究边柱失效工况下预应力拼接连接装配式结构的抗连续倒塌机理,在实验室开展了4个1/2缩尺预制梁-柱子结构模型试验。试验采用静载方式研究了3种预制装配式连接类型的抗连续倒塌性能。试验结果表明:采用不同连接类型的预制装配式子结构表现出不同的破坏模式;预应力拼接连接是一种有效抵抗连续倒塌的连接方式;采用混合连接结构抗力总是大于或等于钢绞线与角钢连接单独连接抗力之和;较高初始预应力可以增大试件在小变形阶段的抗力,但是会明显降低其大变形阶段的抗力。最后,通过商用有限元软件ANSYS/LSDYNA建立有限元模型,并在验证模型之后分析了试验中没有量测的关键结果,比如梁端弯矩变化,随后对关键设计参数开展了拓展参数分析。有限元结果表明:采用有粘结预应力较无粘结预应力结构抗力提高明显。当增大混凝土强度时,结构抗力也会随之提升。增大轴压比,会加重边柱的P-Δ效应,从而降低结构的变形能力和极限承载力。     

碳纤维布加固混凝土梁的剥离破坏

碳纤维布加固混凝土结构中剥离破坏是一种重要的破坏形式,通过九根碳纤维布加固混凝土梁的模型试验,考察了剥离承载力及剥离模式。根据试验结果和力学理论知识,对碳纤维布加固混凝土梁的剥离破坏进行了极限应力分析,建立了极限状态的判据和相应的碳纤维布剥离承载力计算方法,在计算方法中考虑了粘结正应力与剪应力的综合作用以及U形箍的横向剪切变形,与试验结果的比较表明,方法具有较高的精度,完善了碳纤维布加固混凝土梁的设计理论。     

U形CFRP条带混锚加固混凝土梁抗剪试验

为解决纯粘贴U形纤维增强聚合物基复合材料（FRP）加固钢筋混凝土梁中FRP端部容易发生剥离破坏等问题,自主研发了对纤维布条带端部进行自锁锚固的方法和锚板,提出了端锚与粘贴并用的混锚U形条带抗剪加固方法。通过2根未加固梁、1根纯粘贴和2根混锚U形碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）带抗剪加固梁的对比试验,证实了混锚抗剪加固的有效性：混锚能够对纤维带端部进行可靠锚固,阻止端部剥离破坏的发生,实现纤维拉断破坏,大幅度提高材料强度利用率。混锚加固在抑制混凝土梁斜裂缝开展、延缓箍筋屈服、提高箍筋和CFRP的极限应变以及提高抗剪承载力等多个方面的表现均明显优于纯粘贴加固。     

U型FRP加固钢筋混凝土梁受剪剥离性能的有限元分析

采用FRP布对梁进行抗剪加固,可以有效的解决梁因配箍率不足而导致的受剪承载力偏低的问题。根据文献[1]中7根试验梁的参数,针对工程中常用的U型FRP受剪加固形式,建立三维有限元分析模型,采用商业有限元计算软件ANSYS,数值模拟了加载全过程和受剪剥离受力性能,根据试验结果确定了FRP-混凝土界面粘结剥离强度,并建议了合适的裂面剪力传递系数。根据有限元分析结果,作者又进一步研究了U型FRP布的应变分布、分担剪力的贡献、剥离破坏的过程,以及加固量、FRP类型和粘贴面积率对加固梁受剪承载力的影响。在有限元分析的基础上结合试验结果,建议了U型粘贴加固的受剪剥离承载力计算方法。     

现浇楼板对钢筋混凝土框架结构在地震作用下破坏形式的影响

“5.12”汶川地震造成一些钢筋混凝土框架结构损坏甚至倒塌。灾后调查发现,框架结构震害特点之一是柱端而非梁端出现塑性铰的“强梁弱柱”破坏形式,这与结构抗震设计概念中的“强柱弱梁”不符。国内外研究表明现浇楼板增大了梁端抗负弯承载力,但其对整个框架结构屈服机制的影响研究依然不足。针对这种现象,应用有限元软件ABAQUS对汶川地震中都江堰市某典型“强梁弱柱”框架进行三维动力弹塑性时程数值模拟,着重从结构角度上分析了现浇楼板对框架结构抗震性能的影响、探讨了负弯矩作用下梁端有效翼缘的取值。经分析,发现按照目前我国规范设计的框架在遭遇大震时较难实现“强柱弱梁”屈服机制。框架设计时宜在柱端弯矩增大系数不变的情况下,负弯矩作用下梁端有效翼缘范围内的板筋参与梁受弯,建议该范围取6倍板宽;大震下框架弹塑性变形验算宜采用考虑现浇楼板的计算模型。     

模拟不中断交通状况下粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁试验研究

为了调查动荷载作用下碳纤维布与钢筋混凝土梁的粘贴性能及加固效果,进行了5根模拟交通荷载(等幅正弦波形动荷载)作用下粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁和1根保持荷载下粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁以及2根对比梁的试验研究。试验中考虑了混凝土等级、配筋率、有无锚固条、粘贴长度、荷载幅值5个变化参数。试验结果表明,在模拟交通荷载的作用下,碳纤维布加固的钢筋混凝土梁粘贴性能满足要求,粘贴效果良好。在模拟交通荷载后的静载作用下,试验梁的抗弯承载力提高较多,加固效果明显,进一步验证了粘贴效果。     

震损RC柱FRP加固后抗震性能数值模拟分析

使用有限元软件ABAQUS,基于箍筋约束混凝土、钢筋以及FRP材料的材料本构模型,完成了未震损未加固、未震损FRP加固和震损后FRP加固的RC柱抗震数值模拟分析。对震损后FRP加固的RC柱,完成不同程度震损模拟;使用生死单元法实现严重震损混凝土的剔除与替换以及FRP的加固;再模拟修复加固后RC柱的加载,模拟结果与试验结果基本吻合。对比了3种RC柱抗震性能的数值模拟结果,发现严重震损后用FRP加固的RC柱其抗侧刚度与承载力不能完全恢复,需要考虑不同损伤程度与不同FRP加固措施等对加固效果的影响。研究了不同损伤程度和加固方法下的RC柱,结果表明：对于中等震损的试件,纵横向FRP组合加固可以完全恢复并超越原有抗震性能;对严重损伤RC柱,外围损伤严重混凝土的修复与替换是影响震损RC柱加固后性能的关键;相较于仅有横向GFRP环向加固,纵横向FRP组合加固的效果更好。     

复合加固方形木柱的抗震性能分析

为了提高方形木柱的承载能力和抗震性能,提升古建木结构的抗震安全性,提出采用内嵌钢筋、外包碳纤维(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布复合加固木柱。通过方形木柱的低周往复荷载试验,研究了不同加固模式、钢筋用量、CFRP布加固量等因素对木柱抗震加固效果的影响;利用有限元软件OpenSees对复合加固方形木柱的抗震性能开展了数值模拟,通过数值模拟结果和试验数据的对比验证了有限元模型的可靠性;分析了轴向荷载、钢筋直径、CFRP布层数等参数对复合加固方形木柱滞回性能、侧向承载能力、延性性能、刚度退化以及耗能能力的影响。分析结果表明,内嵌钢筋可以显著提升方形木柱的侧向承载能力和耗能能力;外包CFRP布能够限制木材横向变形和内嵌钢筋的外凸,提高方形木柱的延性性能,延缓其刚度退化;复合加固能够大幅度提高方形木柱侧向承载力、延性及耗能能力,改善其刚度和强度退化,抗震加固效果显著。     

基于抽柱法的无粘结预应力装配式框架结构连续倒塌分析

为研究无粘结预应力装配式框架结构的防连续倒塌性能,首先采用有限元软件OpenSees中的梁柱节点单元模拟无粘结预应力梁柱节点,并与试验结果进行对比,然后采用抽柱法对一栋6层无粘结预应力装配式框架结构和现浇框架结构进行连续倒塌分析,得到了抽柱后关键构件的内力时程曲线和失效点的竖向位移时程曲线,最后模拟了无粘结预应力装配式框架结构和现浇框架结构的连续倒塌过程。研究结果表明:在抽除中柱后,无粘结预应力装配式框架结构的倒塌荷载极限值比现浇框架结构高24.2%;在抽除边柱后,无粘结预应力装配式框架结构的倒塌荷载极限值比现浇框架结构则高35.7%。在柱截面尺寸和配筋相同、梁截面尺寸和受弯承载力相同的情况下,无粘结预应力装配式框架结构防连续倒塌性能优于现浇框架结构。     

Failure diagrams of FRP strengthened RC beams

Amongst various methods developed for strengthening and rehabilitation of reinforced concrete (RC) beams, external bonding of fibre reinforced plastic (FRP) strips to the beam has been widely accepted as an effective and convenient method. The experimental research on FRP strengthened RC beams has shown five most common modes, including (i) rupture of FRP strips; (ii) compression failure after yielding of steel; (iii) compression failure before yielding of steel; (iv) delamination of FRP strips due to crack; and (v) concrete cover separation. In this paper, a failure diagram is established to show the relationship and the transfer tendency among different failure modes for RC beams strengthened with FRP strips, and how failure modes change with FRP thickness and the distance from the end of FRP strips to the support. The idea behind the failure diagram is that the failure mode associated with the lowest strain in FRP or concrete by comparison is mostly likely to occur. The predictions based on the present failure diagram are compared to 33 experimental data from the literature and good agreement on failure mode and ultimate load has been obtained. Some discussion and recommendation for practical design are given.     

Fracture Resistance of a Cracked Concrete Beam Post-strengthened with FRP Sheets

Fibre-reinforced plastic (FRP) composites have been increasingly used in rehabilitation and strengthening of concrete structures. Significant increases in stiffness and strength have been achieved by applying this technique. However, there is concern about the ductility or toughness performance of FRP/concrete hybrid structures, which is critical in the application of this technology. This paper presents a new theoretical method to predict the fracture resistance behaviour of FRP post-strengthened concrete flexural beams. No slip between the FRP and plain concrete matrix is assumed and Mode I fracture propagation is considered. The model is valid for a wide range of span-to-depth ratios and any crack length. The influence of the bridging stresses provided by the fracture process zone (FPZ) at the tip of a fictitious fracture is examined. The effect of various material and geometric parameters on the resistance curve and toughness of the hybrid structure is discussed, based on the numerical results from the developed theoretical formulae. The results provide a useful insight into the strengthening/toughening and the design of FRP sheet/concrete beam structures.     

Plastic hinge relocation in RC joints as an alternative method of retrofitting using FRP

The efficiency of fiber reinforced polymers (FRPs) in enhancing the performance of deficient reinforced concrete (RC) joints has been investigated in recent years. Relocating plastic hinge from the column face toward the beam is an effective method of upgrading RC beam–column joints. This retrofitting approach might also prevent the formation of undesirable brittle joint failure. In this paper, the numerical results of analysing three FRP retrofitted RC joints are compared in order to investigate the effectiveness of FRP composites in improving the performance of the beam to column joints through the relocation of the plastic hinges away from the joint core. Different configurations of FRP application, including a novel retrofitting scheme at beam–column joints, are assessed and the efficiency of each composite architecture in relocating the plastic hinge is discussed. The results show that the newly proposed configuration is not only capable of relocating plastic hinges and improving the load carrying capacity of the joints but is also capable of preventing the typical interface failure.     

装配式可更换耗能铰滞回性能试验研究

提出一种可恢复功能装配式节点,由可更换耗能铰、约束节点核心区、预制梁柱等组成。可更换耗能铰为人工塑性铰,其滞回性能是装配式节点抗震性能的关键影响因素。将可更换耗能铰设置在装配式节点的预制梁与节点核心区外伸梁端之间,对其进行低周往复荷载作用下的滞回性能试验。在该试验的基础上仅更换耗能铰中破坏的金属阻尼器,进行第二次试验。考察可更换耗能铰的破坏模态、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、承载能力、延性、能量耗散能力等抗震性能。通过两次试验的对比分析,揭示可更换耗能铰抗震性能的可恢复能力。结果表明:可更换耗能铰弯矩-转角滞回曲线饱满,转动能力与耗能能力强,延性良好,强度退化不明显;可更换耗能铰实现了装配式节点的损伤、破坏集中在耗能铰上,耗能铰耗散的能量占装配式节点耗散总能量的70%以上;两次试验中可更换耗能铰的各项抗震性能基本一致,说明更换破坏的金属阻尼器后,耗能铰抗震性能基本可恢复。     

RC two-way slabs strengthened with CFRP strips: experimental study and a limit analysis approach

This paper deals with strengthening of reinforced concrete (RC) two-way slabs with carbon fibre reinforced plastic (CFRP) strips bonded to the tensile face. The first part deals with an experimental study. The fibre reinforced plastics (FRP) strengthened slab test presents a failure mode with debonding of the external FRP strips from the slab. The second part deals with a limit analysis modelling. The strengthened slab is designed as a three-layered plate. A simplified laminated plate model is used to describe the behaviour of three-layered plate supported in four sides, which is subjected to a load in the centre. The upper bound theorem of limit analysis is used to approximate the ultimate load capacity and identify the different collapse mechanisms. Experimental results are compared with theoretical predictions.     

钢管混凝土平面框架子结构抗连续倒塌精细有限元分析

竖向关键构件失效后,结构的抗倒塌能力主要以失效柱上部钢梁的梁机制和悬链线机制为主。选取"两跨三柱"型钢管混凝土平面框架子结构形式为研究对象,采用精细有限元法细致剖析竖向荷载全过程作用下平面框架的倒塌全过程,分析中柱竖向位移与承载力的全过程曲线特征,研究不同几何和物理参数对框架的抗力曲线的影响规律。结果表明:中柱承载力P-竖向位移Δ曲线分为四个阶段:梁机制阶段、转换机制阶段、悬链线机制阶段、破坏阶段。综合抗力指标和位移延性指标可以看出,钢梁翼缘厚度和钢管含钢率对该类结构的抗连续倒塌影响较为显著,工程实际设计和应用中应予重视。     

套筒连接的预制拼装桥墩抗震性能研究

以灌浆套筒预埋于墩身的预制拼装桥墩为研究对象,分析了地震作用下此类桥墩墩身与承台接缝处的受力机理和套筒预埋于塑性铰区对桥墩整体受力性能的影响,进行了灌浆套筒预埋于墩身的预制拼装桥墩模型拟静力试验。在此基础上,采用数值模拟分析方法,建立有限元模型,比较了采用灌浆套筒连接的预制拼装桥墩与整体现浇桥墩的性能差异,以及不同直径的灌浆套筒对此类预制拼装桥墩抗震性能的影响。研究表明:采用墩身预埋灌浆套筒连接的预制拼装桥墩,因套筒刚度大,易在墩身套筒连接段形成刚性区域,发生墩身曲率重分布现象,导致墩底接缝处曲率增大,应变集中。此外,灌浆套筒埋置于墩身的预制拼装桥墩与整体现浇桥墩相比,等效塑性铰高度减小,位移承载能力降低,且灌浆套筒直径越大、长度越长,桥墩接缝处应变集中越明显,与整体现浇桥墩性能差异越大,导致桥墩最终破坏形式由传统的塑性铰区域混凝土破坏转变为墩底接缝处钢筋拉断。