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研究纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)约束构件的力学性能,应力一应变关系模型是基础,然而对于FRP约束矩形截面混凝土,其应力-应变关系模型仍不完善;FRP在钢筋混凝土(RC)柱抗震加固领域的独特优势已得到广大研究者的认同,但对FRP约束RC柱抗震性能的研究多以定性结论为主,其中,破坏模式判定、变形能力及恢复力模型等在FRP约束柱抗震性能评价及计算中具有重要的地位。本文在广泛收集、整理既有研究的基础上,通过理论分析、试验探索及数值模拟的手段,进行了以下研究工作:
对公开发表文献中FRP约束混凝土矩形柱的试验数据进行了收集,对有限的既有应力-应变关系模型进行分类、总结与评估,系统分析影响FRP约束混凝土矩形柱应力-应变关系的主要参数,针对FRP约束矩形柱有、无软化段(强、弱约束)分别提出相应的应力-应变关系模型,特别是对于弱约束,提出软化段终点可近似为位于通过原点的同一条虚直线上的假定。
进行9根较大尺寸的FRP约束矩形RC短柱在低周反复荷载下的抗震性能试验研究,主要考虑了大尺寸、矩形、高弯剪强度比(纵筋配筋率高)、短柱及不同FRP类别等一系列特点,对试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、应力-应变关系、位移延性、耗能性能、强度退化、刚度退化等性能进行较为深入系统的研究;证实了连续玄武岩纤维丝束(BF)在柱抗震加同领域的有效性,对不同FRP类别(CFRP、DFRP、BFRP)约束试件的滞回性能进行系统比较,研究加载顺序对FRP约束柱抗震性能的影响。
收集大量剪切破坏特征的矩形截面RC柱低周反复荷载试验数据,对国内外相关抗剪承载力公式进行评估,对RC柱抗剪承载力的影响规律进行探讨,对GB50010-2002抗剪承载力公式中混凝土抗剪分项进行考虑延性系数影响的修正以反映塑性铰区混凝土抗剪承载力随位移延性系数的退化规律,给出FRP约束混凝土矩形柱受剪承载力计算公式,论证了FRP有效极限应变的取值方法,给出FRP约束混凝土柱破坏模式的判别方法。
通过数值分析方法,将FRP约束矩形截面轴压模型应用于弯剪组合柱的分析,研究不同FRP约束混凝土的应力-应变关系对弯矩-曲率分析结果的影响,讨论各主要参数对FRP约束矩形混凝土截面弯矩-曲率关系的影响,确定了以最外边缘受压混凝土纤维应变分别达剑0.004、1.0ε<,cc>、1.5ε<,cc>为FRP约束柱在弯剪共同作用下的功能正常、损伤控制、极限倒塌性能极限状态,给出3个不同等级性能极限状态的曲率计算公式,推导出曲率延性的计算方法。
收集大量弯曲破坏的箍筋约束矩形柱低周反复荷载试验结果,建立形式简单的、可以双向应用的极限位移角θ<,u>与配箍特征值λ<,v>之间的定量关系式,并与既有研究成果进行比较。在此基础上,计算我国规范规定最小配箍特征值所对应的变形能力;建立FRP用量与极限位移角θ<,u>之间的定量表达式,计算对应我国规范配箍特征值相应变形能力的FRP用量。
在FRP约束矩形混凝土截面应力-应变关系的基础上,推导FRP约束矩形混凝土柱在轴力和弯矩共同作用下的抗弯承载力计算公式,在总结大量相关文献中的FRP约束矩形混凝土柱试验滞回曲线的基础上,系统分析胃架曲线特征及卸载刚度的退化规律,结合理论分析,建立FRP约束矩形混凝土柱的弯矩-曲率恢复力模型和荷载-位移恢复力模型。