不同速率的反复荷载作用下LRS-FRP约束混凝土本构及机理研究

Wrapping FRP on concrete structures can increase the ductility of the concrete and improve the seismic performance of the structure. The LRS-FRP (large rupture strain fiber reinforced polymer) confined concrete can provide more ductility and greater energy absorption with the same restraining stiffness than the conventional FRP. Therefore, LRS-FRP compared with other types of FRP has more prominent advantages in seismic strengthening. For seismic loads, the randomness and rapidity of the repeated loads are the main features, and they are also important factors affecting the stress-strain relationship of confined concrete. This project will study the cyclic model that considers the random load patterns and earthquake-related loading rates. First, develop a rule for LRS-FRP confined concrete under random cyclic loading, and reveal the impact of load history on concrete damage based on experimental study; second experimentally study the influence of loading rate on the cyclic behavior, and analyze the damage mechanism of FRP confined concrete with diverse loading rate, then propose a rate relevant cyclic model. Finally, by combining the above two aspects, develop a new constitutive model for FRP confined concrete that can predict the materials behavior subjected to random cyclic loading and high loading rate. The successful completion of the project will build a solid foundation for seismic retrofit application for FRP rehabilitation of RC structures.

外包FRP约束混凝土结构能够提升混凝土的延性进而改善结构的抗震性能。大应变FRP（LRS-FRP）约束钢筋混凝土相比传统FRP能够在同等约束刚度的条件下提供更多延性并吸收更多能量，因此，LRS-FRP与其他种类FRP相比在抗震加固方面具有更突出的优势。针对地震荷载作用，荷载的随机性和快速性是其主要特征，也是影响约束混凝土本构的重要因素。本项目拟研究LRS-FRP约束混凝土在不同加载速率与随机反复荷载下的应力应变模型。首先，确立随机加卸载法则，研究加载路径对约束混凝土损伤演变的影响；其次，通过不同加载速率的反复荷载试验，研究应变速率对其滞回行为的影响，揭示约束混凝土在快速加卸载过程中的破坏机理，建立基于应变率的反复本构模型。最后，结合随机反复荷载与应变速率，建立两者耦合的应力应变模型，准确模拟其在快速随机反复荷载下的应力应变行为，为LRS-FRP加固钢筋混凝土构件的抗震性能分析奠定基础。

外包FRP约束混凝土结构能够提升混凝土的延性进而改善结构的抗震性能。应用大应变FRP（LRS-FRP）约束混凝土，与其他种类FRP相比在抗震加固方面具有更突出的优势。凭借其超高的断裂应变特点，能够在同等约束刚度的条件下提供结构更多延性并吸收更多能量。针对地震荷载作用时的随机性和快速性特征，本项目采用试验与理论分析结合的方法，研究了大应变FRP约束混凝土在不同加载速率下的应力应变行为，以及随机的荷载路径对约束混凝土应力应变关系的影响。取得如下研究成果：（1）研究并揭示了加载速率对LRS-FRP约束混凝土应力应变关系的影响，建立了针对不同种类骨料混凝土的单调加载应力应变关系模型。（2）本项目通过不同加载速率的反复荷载试验，系统研究了应变速率对FRP(CFRP and LRS FRP)约束混凝土柱的滞回行为的影响，揭示约束混凝土在快速加卸载过程中的破坏机理，应变速率对大变形下刚度折减以及塑性应变变化的影响，建立了基于应变率且适用于反复荷载作用的FRP约束混凝土应力应变模型。（3）本项目通过归纳复杂随机荷载路径，确立了随机加卸载法则，通过研究加载路径对约束混凝土损伤演变的影响，建立了基于塑性应变参数的随机荷载作用下的FRP约束混凝土应力应变关系模型。此模型通过读取塑性和加载刚度的变化可标定约束混凝土在不同应力路径作用后的损伤状态，并预测其残余强度及损伤后的应力应变关系。只要能准确获取塑性应变，此模型可适用于多种混凝土材料。此外，考虑不同骨料的特点，本项目拓展纳入骨料特征参数于模型中，修正提出的应变速率相关的模型应用于FRP约束再生骨料以及橡胶骨料混凝土。结合随机反复荷载与应变速率，建立两者耦合的应力应变模型，准确模拟其在快速随机反复荷载下的应力应变行为，为LRS-FRP加固钢筋混凝土构件的抗震性能分析奠定基础。