鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究.pdf

1、鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋(Steel Fiber Composite Bar，簡稱SFCB或復(fù)合筋)是一種在鋼筋的外面包裹FRP縱向纖維的新型復(fù)合材料，它結(jié)合了FRP強(qiáng)度高、耐久性好與鋼筋的彈模高、延性好等優(yōu)點，是一種耐腐蝕、具有穩(wěn)定屈服后剛度的新型結(jié)構(gòu)材料。鋼筋混凝土框架是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)體系之一，建立準(zhǔn)確、高效的計算模型是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)非線性分析的首要任務(wù)。將鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋應(yīng)用到混凝土框架結(jié)構(gòu)將對抗震性能帶來一系

2、列新的科學(xué)問題，這成為結(jié)構(gòu)工程研究的新交叉點。
　　本論文研究目的有二:其一，以玄武巖纖維為例，研究鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋(Steel-Basalt fibercomposite Bars)這一新型筋材用于混凝土框架結(jié)構(gòu)對抗震性能帶來的新特性;其二，以SFCB混凝土桿件單元建模和恢復(fù)力模型為主線研究框架結(jié)構(gòu)彈塑性建模方法和非線性地震反應(yīng)分析。本文從試驗研究、理論推導(dǎo)和有限元模擬三方面對SFCB用于框架結(jié)構(gòu)的可行性和計算模型進(jìn)行了深入

3、的研究。主要工作如下:
　　1、為了研究鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋（簡稱鋼-BFRP復(fù)合筋）的基本力學(xué)特性，開展了鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋的拉伸試驗、壓縮試驗及其機(jī)理研究。試驗結(jié)果表明，纖維比例對筋材強(qiáng)屈比有較大影響;內(nèi)芯鋼筋在屈服前能夠較好地與外包纖維共同工作，屈服后與外包纖維產(chǎn)生局部滑移，出現(xiàn)應(yīng)變滯后現(xiàn)象;隨著塑性變形的增大，卸載剛度逐漸減小。在鋼筋屈服前纖維參與抗壓較為明顯，使得受壓屈服荷載有所增加，應(yīng)該適當(dāng)考慮纖維對受壓承載力的貢獻(xiàn)

4、;鋼筋受壓屈服后，隨著塑性變形的增大，纖維膠層由于鋼筋壓縮變形而開裂，纖維逐漸失去抗壓能力，受壓荷載基本由內(nèi)芯鋼筋承擔(dān)，因此在后期各復(fù)合筋抗壓能力趨于一致。針對鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋拉壓不對稱的特性，提出了鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋本構(gòu)骨架曲線與滯回規(guī)則，并代入纖維截面計算了梁和柱的彎矩-曲率曲線，討論了等效配筋率、筋材二次剛度、混凝土強(qiáng)度、柱軸壓比等參數(shù)對截面本構(gòu)關(guān)系的影響，為該類筋材在混凝土結(jié)構(gòu)中的設(shè)計及有限元數(shù)值模擬提供了參考。
　

5、　2、設(shè)計了鋼-BFRP復(fù)合筋混凝土梁、柱構(gòu)件，開展了5個框架梁和5個框架柱的抗震性能試驗，得到了構(gòu)件的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化、耗能能力和延性等抗震性能指標(biāo)。根據(jù)構(gòu)件試驗現(xiàn)象、應(yīng)變分布和破壞形態(tài)，對破壞機(jī)理作了分析。測量了構(gòu)件加載過程中的彎曲變形、剪切變形和桿端錨固滑移變形，并對關(guān)鍵位置處筋材應(yīng)變和局部位移進(jìn)行了監(jiān)測，給出了各變形分量對加載自由端水平總位移的貢獻(xiàn)比例。試驗現(xiàn)象表明:與按等剛度原則的RC構(gòu)件相比，復(fù)合筋混凝土構(gòu)件承載

6、力有所提高且縱筋屈服區(qū)范圍有所增大;由于筋材的粘結(jié)性能比鋼筋略差，裂縫的寬度和間距稍大;在筋材內(nèi)芯鋼筋面積不變前提下，隨著纖維含量的增加構(gòu)件的承載力不斷提高，但塑性鉸長度有所減小，裂縫變得密且細(xì)，延性并未發(fā)現(xiàn)有明顯降低。剪跨比和配箍率的減小使得構(gòu)件破壞形態(tài)由彎曲型破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕粜推茐?。位移測量結(jié)果表明，構(gòu)件加載端位移由彎曲變形、剪切變形和錨固端滑移變形三部分組成。適中剪跨比構(gòu)件（λ=4）的變形以彎曲變形為主;梁剪切變形占總變形比例為0.

7、4％～15％不等，柱剪切變形占總變形比例為3％～10％不等;縱筋屈服后固端錨固滑移引起變形比例增加明顯，梁由10％增至15％～35％不等，柱由1％增至5％～30％不等;小剪跨比構(gòu)件（λ=2）呈現(xiàn)出彎剪型破壞形態(tài)，試件的耗能能力和延性較差，破壞始于混凝土斜裂縫的出現(xiàn)，隨后箍筋發(fā)生屈服，腹部彎剪斜裂縫開展較為明顯，使得剪切變形比例迅速增大（占20％～30％）。在試驗基礎(chǔ)上對梁、柱構(gòu)件抗震性能進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果表明，對剪跨比適中的彎曲

8、破壞構(gòu)件數(shù)值模擬與試驗結(jié)果吻合較好;但對剪跨比較小的彎剪型破壞構(gòu)件采用纖維模型模擬會產(chǎn)生較大誤差，需要對計算模型加以改進(jìn)。
　　3、混凝土框架構(gòu)件中的剪切變形和滑移變形一直是影響著數(shù)值模擬精度的重要因素。為了較好地模擬SFCB混凝土構(gòu)件的抗震性能，提出了考慮彎曲變形、剪切變形和錨固滑移本構(gòu)的組合單元計算模型。該模型由分布塑性區(qū)桿件子單元、桿端滑移子單元和剪切子單元串聯(lián)而成，其中分布塑性區(qū)桿件子單元是基于SFCB混凝土梁、柱截面彎矩

9、-曲率關(guān)系和構(gòu)件塑性鉸長度得到;結(jié)合SFCB力學(xué)性能與構(gòu)件試驗現(xiàn)象，討論了剪切和滑移子單元的恢復(fù)力模型，并通過OpenSees軟件編程得到了數(shù)值實現(xiàn)。模型數(shù)值計算結(jié)果與小剪跨比構(gòu)件試驗結(jié)果較為一致，表明了本文所提出的組合桿單元計算模型能夠較好地反映小剪跨比構(gòu)件的真實受力和變形狀態(tài)，驗證了理論模型的正確性和有效性。
　　4、開展了1榀鋼-BFRP復(fù)合筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗，得到并分析了結(jié)構(gòu)的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化、耗能能

10、力和延性等抗震性能指標(biāo)，根據(jù)試驗現(xiàn)象和應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)分析了結(jié)構(gòu)破壞過程和機(jī)理。相對普通的鋼筋混凝土框架，SFCB增強(qiáng)混凝土框架所得滯回曲線飽滿程度較低，殘余變形較小，框架在屈服后荷載增加較為明顯?；诮M合桿單元計算模型中構(gòu)件的單元剛度矩陣，推導(dǎo)了框架的總剛度矩陣;采用OpenSees軟件編制了框架模型計算程序得到了模型的數(shù)值結(jié)果，與框架試驗結(jié)果吻合較好。
　　5、為了簡化桿單元計算模型，對剪跨比適中的構(gòu)件提出了適用于RC構(gòu)件和復(fù)合

11、筋混凝土構(gòu)件的恢復(fù)力模型簡化實用計算方法，該模型骨架曲線各特征點與構(gòu)件截面尺寸和配筋等參數(shù)直接相關(guān)聯(lián)。為了驗證該模型首先將模型計算的結(jié)果與構(gòu)件試驗相比較，二者符合較好;其次將框架試驗中梁、柱構(gòu)件的尺寸和配筋等參數(shù)代入該模型來計算整體框架結(jié)構(gòu)的P-△曲線，該曲線與試驗骨架曲線吻合較好，說明該簡化模型方法正確、有效，可在工程設(shè)計軟件中應(yīng)用推廣。
　　6、按筋材含纖維比例不同設(shè)計了3個鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋混凝土多層框架和1個RC結(jié)構(gòu)對比

12、算例，進(jìn)行了靜力彈塑性分析和非線性時程分析。在靜力彈塑性分析中比較了不同框架試件的基底剪力-頂點位移曲線和塑性鉸發(fā)展分布過程等抗震性能參數(shù);結(jié)果表明，在相同推覆位移下，在RC縱向鋼筋配筋基礎(chǔ)上增加一定纖維的復(fù)合筋混凝土框架抗震性能要優(yōu)于RC框架，但按等剛度面積置換原則設(shè)計的復(fù)合筋混凝土框架抗震性能要弱于RC試件。在8度罕遇地震下對比了RC試件與SFCB試件的結(jié)構(gòu)自振周期變化率、結(jié)構(gòu)位移時程響應(yīng)和桿端出鉸情況等抗震性能指標(biāo)。結(jié)果表明，通過