FRP加固钢筋混凝土框架填充墙结构的整体抗震性能试验、分析与设计方法

Aiming at the extensive vulnerable existing non-ductile infilled RC frames in China, the experimental study and refine finite element analysis on the full-scaled one story and one bay infilled RC frames retrofitted with fiber-reinforced polymer (FRP) composites have been chosen as the breakthrough point to reveal the influence of FRP material and retrofit modes on the mechanical mechanism, cooperative working mechanism between infilled walls and RC frames, and failure mode of the structure. On the basis of experimental and analytical results, the macro-finite element models of FRP-retrofitted infilled walls, beams, columns and joints are proposed and modeled. Then, the nonlinear static pushover and dynamic time history analysis are conduced to evaluate the whole structural seismic performance and failure modes of the FRP-retrofitted infilled RC frames by using above macro-finite models. Based on the analysis results, the conceptual design principle of FRP-retrofitted infilled RC frame are proposed. Moreover, the decomposition rules which separate the plastic storey displacements into the deformations of members including infilled walls, columns, beams and joints are studied and the relationship between the deformation of structural members and amount of FRP retrofitting are developed. Finally, the seismic retrofitting design method using FRP composites to improve the seismic performance of infilled RC frame is developed. The results form 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.

针对我国量大面广、且受灾严重的现役钢筋混凝土框架填充墙结构，以FRP加固足尺单层单跨框架填充墙结构基本单元的抗震性能试验与精细化有限元分析为切入点，揭示FRP材料性能与加固方法对框架填充墙结构力学行为、协同工作机制与失效模式的影响规律，建立FRP加固填充墙、框架梁、柱以及节点的宏单元模型，完善框架填充墙结构FRP加固后的弹塑性静、动力抗震分析手段，系统研究FRP加固方法对框架填充墙整体结构抗震性能与失效模式的影响规律，提出FRP抗震加固框架填充墙结构的概念设计原则；在此基础上，采用基于位移的设计思想，研究框架填充墙结构弹塑性层间位移分解为构件变形的解构规则，建立构件变形与FRP加固用量之间的偶联关系，在结构整体抗震性能层面上实现框架填充墙结构的FRP抗震加固设计方法，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。

本项目针对我国量大面广且受灾严重的现役钢筋混凝土框架填充结构，在材料层面、构件层面和结构层面，系统研究了FRP纤维增强复合材料加固钢筋混凝土框架填充墙结构的抗震性能、失效模式和设计方法，取得了如下研究成果：(1) 在材料层面，提出了FRP约束混凝土存在尺寸效应的问题，基于大量足尺试件的轴压性能试验，得到了尺寸效应对FRP有效约束作用的影响规律，建立了可考虑尺寸效应影响的FRP约束钢筋混凝土滞回材料本构关系模型，为后期构件层面FRP加固钢筋混凝土梁、柱、节点和结构层面FRP加固钢筋混凝土框架填充墙结构的精细化有限元分析和设计方法建立奠定基础；(2) 在构件层面上，分别进行了FRP加固钢筋混凝土柱、框架节点以及单层单跨框架填充墙等基本构件的抗震性能试验研究和理论分析，得到了FRP加固前后各参数对基本构件抗震性能的影响规律，建立了FRP加固钢筋混凝土柱的精细化有限元模型和荷载—位移恢复力模型，建立了考虑节点核心区的FRP加固钢筋混凝土框架节点的宏单元模型，建立了FRP加固单层单跨钢筋混凝土框架基本构件的精细化微观和宏观有限元模型；(3) 在结构层面上，完成了足尺FRP加固前后钢筋混凝土框架填充墙结构抗震性能及倒塌性能的试验研究，完成了钢筋混凝土框架填充墙结构加固前后的弹塑性静、动力有限元模拟分析，实现了FRP加固钢筋混凝土框架结构的易损性分析；在此基础上，得到了FRP加固方法对框架填充墙结构整体抗震性能与失效模式的影响规律，提出了FRP抗震加固钢筋混凝土框架填充墙结构的概念设计原则，提出了钢筋混凝土框架填充墙结构抗震性能水准的划分方法，提出了基于性能的钢筋混凝土框架填充墙结构的FRP抗震加固设计方法。本项目研究成果，可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，具有较好的理论意义和工程应用价值。