地震作用下钢-连续纤维复合筋增强混凝土柱动力特性及设计方法研究

基于上一基金研究成果，指出研究地震作用下具有稳定二次刚度钢-连续纤维复合筋（SFCB）增强砼柱动力特性的必要性、特殊性和创新性。具体为：首先，系统研究反复荷载作用下不同参数SFCB的应力-应变关系，建立能够考虑反复荷载作用、屈曲效应等影响参数的理论模型；其次，研究反复荷载作用下SFCB与砼界面粘结性能，建立能够考虑反复荷载作用、约束效应等影响参数的SFCB与砼粘结-滑移本构关系模型；然后通过拟动力和振动台试验，研究多种典型地震动作用下不同参数的SFCB增强砼柱的全过程动力特性，针对其损伤机理，提出综合考虑延性、耗能及可修复性的多参数地震损伤模型；最后，基于前面研究及综合上一基金成果，提出具有稳定二次刚度的SFCB增强砼柱的抗震性能评价指标和设计方法，把目前的"三水准设防，两阶段设计"发展成为更加合理的"三水准设防，三阶段设计"。课题研究将有助于新材料、新结构以及新的抗震设计理论的发展。

本项目对具有稳定二次刚度的钢-连续纤维复合筋（SFCB）及其增强混凝土柱的静力和动力特性进行了系统研究。首先从材料层次上研究了SFCB力学性能，基于等效抗弯刚度原则分析了SFCB的抗压性能，进而提出了考虑受压屈曲的SFCB滞回本构关系。进行了SFCB与混凝土在单向和往复荷载下的黏结性能试验研究和理论分析，研究了SFCB黏结受力机理和黏结滑移曲线模型。截面层次上，研究了SFCB增强混凝土柱截面弯矩-曲率关系，提出了基于无量纲弯矩的截面屈服弯矩-曲率回归拟合公式。对SFCB混凝土柱截面最大可能弯矩-曲率、屈服点弯矩-曲率和峰值点弯矩-曲率进行了参数分析，研究了二次刚度比、FRP断裂应变和混凝土受压极限应变（约束效应）等参数对SFCB混凝土柱截面弯矩-曲率的影响。在构件层次上，对SFCB混凝土柱进行了静力荷载和动力荷载作用下的性能研究。静力性能方面，基于4个SFCB柱和1个RC对比柱在低周反复荷载作用下的拟静力试验，进行了SFCB柱的推覆性能参数分析，提出了考虑柱脚纵筋滑移、FRP断裂应变、轴压比和剪跨比等参数的SFCB柱屈服位移、峰值位移的回归拟合公式。SFCB混凝土柱动力性能方面，首先基于等初始刚度和等承载力原则分别对SFCB混凝土柱进行了变化二次刚度比的定性时程分析，进而对等初始刚度SFCB柱进行了变化二次刚度比的非线性时程参数分析。地震波选取了含加速度脉冲/速度脉冲的近场强地震动，变化地震波峰值加速度（PGA）和峰值速度（PGV）研究了SFCB柱的平均峰值位移和残余位移响应。在此基础上，对SFCB柱的残余位移进行了基于概率的易损性评价研究。在动力性能理论分析基础上，进行了SFCB混凝土柱振动台试验研究，研究了自振频率、阻尼比、加速度响应、位移响应、应变分布和柱脚平均曲率的变化规律，并对SFCB柱振动台性能进行了基于试验结果的初步计算比较。在设计方法方面，基于SFCB柱非线性时程分析结果和大量SDOF/MDOF理论研究成果，初步研究了三水准设防三阶段设计方法的设计思路及设计流程，并通过算例进行了说明。由于三阶段设计方法针对任意地震水平下的设计均是采用直接基于位移的设计思想，因而其任意阶段的设计流程具有较高的统一性。