双向地震作用下FRP加固钢筋混凝土矩形柱的抗震性能试验、分析与设计方法

Aiming at the reinforced concrete (RC) columns with insufficient ductility and energy dissipation capacity in existing RC frame structures, the pseudo-statin test, shaking table test and refine finite element analysis on the full-scaled rectangular RC columns retrofitted with fiber-reinforced polymer (FRP) composites subjected to bi-directional earthquakes have been chosen as breakthrough point to reveal the mechanical behavior, failure modes and mechanism of the retrofitted columns. Then, the refine numerical simulation analysis on cyclic stress-strain behavior and hysteretic seismic behavior of FRP retrofitted rectangular RC columns are conducted on material level and member level, respectively. The seismic analysis methods of retrofitted RC columns under bi-directional earthquake are improved, and then the influence of FRP retrofitting techniques and seismic load direction are investigated systematically. On the basis of experimental and analytical results, the shear capacity calculation model and the lateral load-displacement hysteretic model of FRP retrofitted rectangular RC columns subjected to bi-directional earthquake are proposed. Finally, the displacement-based seismic retrofitting design method and measures using FRP composites to improve the seismic performance of rectangular RC columns are developed. The results frome above research can provide the evidences and decision supports for the revise of Code for Seismic Design of Buildings and Technical Specification for Strengthening Concrete Structures.

针对现役钢筋混凝土框架结构中缺乏足够延性和耗能能力的框架柱，以FRP足尺钢筋混凝土矩形柱在双向地震作用下的拟静力试验、振动台试验及精细化有限元分析为切入点，揭示双向地震作用下加固柱的受力性能、破坏模式和失效机理，实现材料层面滞回本构关系和构件层面滞回抗震性能的精细化数值模拟分析，完善双向地震作用下FRP加固钢筋混凝土矩形柱的抗震分析手段，系统研究地震作用方向和FRP加固形式对钢筋混凝土矩形柱抗震性能的影响规律；在此基础上，建立FRP加固钢筋混凝土矩形柱的双向受弯承载力计算公式和双向地震作用下的荷载-位移恢复力模型，提出钢筋混凝土矩形柱基于位移的FRP抗震加固设计方法和具体构造措施，为建筑抗震设计规范和混凝土结构加固规范的进一步修订提供理论依据和决策支持。

项目针对现役钢筋混凝土框架结构中缺乏足够延性和耗能能力的框架柱，首先从材料层面上进行了FRP约束矩形钢筋混凝土柱的单调及反复受压试验研究，得到了尺寸效应、截面高宽比、内部钢筋及FRP报告层数等参数对约束混凝土矩形柱单调及反复受压应力-应变关系各特征点参数及全曲线的影响规律，建立了考虑上述影响因素的FRP约束钢筋混凝土矩形柱的单调及反复受压应力-应变关系本构模型，基于OpenSees开发了可用于FRP加固钢筋混凝土柱抗震性能的精细化有限元模拟分析的材料模块；其次在构件层面上进行了不同角度斜向水平往复荷载作用下FRP加固钢筋混凝土方柱和矩形柱的拟静力试验研究，得到了水平荷载作用方向等对加固钢筋混凝土柱双向抗震性能的影响规律，在此基础上进行了双向地震作用下的FRP加固钢筋混凝土矩形柱的振动台试验研究，得到了地震作用方向和地震水准对加固柱的动力特性、破坏模式、失效机理等抗震性能的变化规律，同时进行了FRP加固前后钢筋混凝土框架角节点的拟静力试验，得到了加固前后角节点的失效模式和抗震性能的变化规律，明确了楼板和正交梁影响的存在对角节点抗震性能的影响规律；最终基于OpenSees有限元软件，实现了单向和双向水平荷载作用下FRP加固钢筋混凝土柱的弹塑性静力Pushover分析和动力时程反应分析，考察了截面高宽比、轴压比等参数对加固柱抗震性能的影响规律，并基于试验和有限元模拟分析结果建立了FRP加固钢筋混凝土柱的双向水平抗剪承载力计算公式和刚度退化模型等，提出了FRP抗震加固钢筋混凝土框架柱的设计方法和具体构造措施；项目研究成果为建筑抗震设计规范和混凝土结构加固规范的进一步修订提供了理论依据和决策支持，具有重要的理论意义和工程应用价值。