LRS-FRP加固钢筋混凝土梁弯曲抗冲击性能与设计方法研究

Reinforced concrete (RC) structures may be damaged seriously when subjected to impact loading, and it is very necessary to strengthen the existing structures to improve their impact resistance. For structures under impact loading, plastic deformation can be taken advantage of to absorb impact energy, but the traditional Fiber Reinforced Polymer (FRP) materials, due to their brittle properties, have limited effects on anti-impact strengthening of RC structures. Large-Rupture-Strain FRP (LRS-FRP) is a promising material to strengthen RC structures under impact because of its good deformation capacity. Therefore, the research project will apply LRS-FRP to strengthen RC beams subjected to impact loading. With experiments and numerical analysis, the collaborative work and failure mechanisms of LRS-FPR strengthened RC beam will be investigated, and the simplified anti-impact design method for LRS-FPR strengthened RC beam will be developed furtherly. Firstly, experiments and numerical analysis will be conducted to investigate strain rate effects on mechanical properties of LRS-FRP confined concrete, and dynamic constitutive models of confined concrete will be established. Secondly, drop hammer tests and related numerical simulation of LRS-FPR strengthened RC beams will be conducted, and the collaborative work and failure mechanisms will be analyzed based on experimental and simulation results. Finally, the response characteristics of LRS-FPR strengthened RC beams under impact will be mathematically modeled, and a simplified approach for designing LRP-FRP strengthened RC beams under impact will be proposed.

钢筋混凝土结构在冲击荷载下可能发生严重破坏，对已有结构进行抗冲击加固十分必要。冲击荷载下结构允许发生塑性变形来消耗冲击能量，而传统FRP因其脆性特征对于钢筋混凝土结构的抗冲击加固能力有限。大应变FRP（LRS-FRP）因其大变形特性用于钢筋混凝土结构抗冲击加固具有明显的潜在优势。因此，本项目选取钢筋混凝土梁作为研究对象，采用LRS-FRP对其进行抗冲击加固，采用试验与数值模拟相结合的方法探究其协同工作机制与破坏机理，并在此基础上开发LRS-FRP加固钢筋混凝土梁弯曲抗冲击设计方法。首先，开展LRS-FRP约束混凝土快速加载下力学性能的试验研究与数值模拟，获取约束混凝土动力本构。然后，进行LRS-FRP加固钢筋混凝土梁的抗冲击试验与数值模拟，分析其协同工作机制与破坏机理。最后，对于LRS-FRP加固混凝土梁的抗冲击响应特征进行合理数学建模，开发加固梁抗冲击简化设计方法。

本项目通过试验研究和数值模拟，对冲击荷载下LRS-FRP加固钢筋混凝土梁的抗弯加固机理和协同工作性能进行了深入研究，综合考虑了加载方式、加固方式、FRP种类、包裹长度、约束刚度等对加固性能的影响。结合试验与数值模拟结果，建立了LRS-FRP加固钢筋混凝土梁弯曲抗冲击设计方法。此外，本项目对于LRS-FRP的动态拉伸性能以及LRS-FRP约束混凝土的动态压缩性能进行了试验研究，并建立了相应的动力本构模型。主要创新成果包含以下方面：.(1) LRS-FRP加固钢筋混凝土梁的静力加载试验表明：相比无加固梁，端锚-FRP加固可以提高弯曲梁的承载力；跨中LRS-FRP包裹加固可以充分发挥无加固梁的延性；联合加固梁的承载力和延性均显著提高。与CFRP相比，LRS-FRP可以与被加固梁较好协同工作，表现出更好的延性。.(2) LRS-FRP加固钢筋混凝土梁的多次冲击试验结果表明：足够长度的横向LRS-FRP包裹可以有效防止受压区混凝土的局部损伤，并承受多次冲击。采用端锚-FRP加固时，LRS-FRP在提高结构抗冲击性能方面比CFRP更具优势。采用LRS-FRP加固后的钢筋混凝土梁在冲击荷载下能减小峰值挠度和残余挠度，提高恢复能力。其中联合加固方式效果最佳。.(3) 数值模拟结果显示，低速冲击下联合加固可以充分发挥LRS-FRP和混凝土的耗能能力，减小钢筋在冲击耗能中的贡献，为钢筋混凝土结构提供更多的韧性安全储备。增加纵向FRP条带配置率可以有效减小跨中挠度以及混凝土损伤程度，并增加位移恢复能力。横向FRP包裹长度过短不能抑制混凝土的压溃破坏，而过长则其利用效率降低。.(4) LRS-FRP的动态拉伸力学行为呈现显著的应变率效应，转折点应力和极限应力随着应变率增大而增大，且转折点应力比极限点应力对应变率更敏感。LRS-FRP约束混凝土在冲击荷载下能充分发挥其大变形特性，对混凝土的冲击耗能提升明显。