基于主动约束的既有混凝土搭接锚固缺陷柱抗震性能加固机理及设计方法研究

The lap-splice is widely adopted in existing reinforced concrete (RC) structures to connect the longitudinal reinforcements of columns. The seismic performance of these columns can hardly meet the requirements of updated design codes, especially when lap-splices are located in the plastic hinge zone. Under the earthquake excitation, the bond of the steel bar might fail by splitting the surrounding concrete in the lap-splice zone, and further leads to a brittle failure of the column. However, the effective strengthening suggestions for these RC deficient lap-splice columns have not been given in current design codes. Therefore, in this program, a detailed investigation, including theoretical, numerical and experimental manners, is given to study the effect of active confinement on the seismic performance of the RC deficient lap-splice column. The study mainly focuses on: (1) the cyclic bond behavior of steel bar subjected to the active confinement; (2) the seismic performance of the RC deficient lap-splice column strengthened with the active confinement; and (3) the effective and practical design approach based on specific strengthening methods. The innovations of current program can be summarized in following aspects: (1) revealing the strengthening mechanism of the RC deficient lap-splice column under the earthquake excitation; (2) establishing generally applicable models to predict the mechanical behavior of strengthened columns in both the theoretical and numerical manners; and (3) giving effective design proposals based on specific strengthening methods. The findings of current research program can give both the experimental and theoretical references for the safety assessment of existing RC structures.

既有钢筋混凝土柱类构件多采用搭接的方式连接纵向受力钢筋，而其构造措施可能已无法满足升级或修订后规范的要求。在地震作用下，这类搭接缺陷柱容易发生粘结锚固破坏，导致构件的承载力和延性急剧下降，严重危害结构安全。因此，本项目拟通过理论、数值和试验研究，考察采用主动约束加固钢筋混凝土搭接锚固缺陷柱的抗震性能，并提出相应的设计方法。本研究主要聚焦：（1）反复荷载与主动约束力共同作用下钢筋搭接区域的粘结性能；（2）主动约束作用下搭接锚固缺陷柱的抗震性能；以及（3）基于实际约束方案的搭接锚固缺陷柱抗震性能加固设计方法等三方面内容。主要创新工作包括：（1）揭示主动约束对搭接缺陷柱抗震性能的加固机理；（2）提出具有普遍适用性的理论和数值分析模型；（3）结合具体加固方法，给出可用于实际工程的设计方法。以上研究成果可用于既有混凝土结构安全性评价及改造，具有重要的学术和工程应用价值。

随着韧性城市建设对结构抗震性能要求的提升，依据旧版规范进行的既有混凝土构件的钢筋锚固设计已无法满足现行规范要求。在地震作用下，塑性铰区域钢筋的搭接长度不足发生粘结破坏，将导致构件强度和刚度下降，引起结构倒塌。因此，研究搭接锚固缺陷构件抗震性能并提出有效的加固方法，具有重要的学术和工程应用价值。主要研究内容及成果如下：.（1）研究了反复荷载和主动约束作用下钢筋-混凝土粘结性能，揭示了复杂应力对搭接缺陷构件的影响机理。提出了反复荷载和复杂应力耦合作用下粘结滑移理论模型，模型具有路径相关性，可考虑任意应力和加载历程下粘结性能的退化；开发了可考虑复杂应力状态实时影响的粘结单元，结合通用有限元软件，实现了搭接锚固缺陷构件粘结退化的精细化模拟。.（2）提出了搭接锚固缺陷构件的精细化模拟技术及宏观模型，实现了此类构件抗震性能的高效分析。采用考虑复杂应力状态的粘结单元，结合混凝土多维材料本构，提出此类构件模拟技术，可反应损伤过程中粘结退化、混凝土开裂等精细化特征；考虑搭接缺陷对塑性铰性能的影响，提出了基于纤维截面的宏观分析模型，实现构件/结构层面高效分析。.（3）提出了主动约束加固技术及设计方法，满足了缺陷构件性能提升需求。面向方形截面，提出了“预应力螺杆-角钢”主动约束加固方法和预紧力设计公式；面向圆形截面，提出了基于热拉伸形状记忆合金缠绕的主动约束加固方法，及多种工况下的力学性能预测模型。本方法具有约束效率高、方便施工等特点。.（4）开展了足尺搭接锚固缺陷柱抗震性能试验研究，揭示了地震破坏机制及损伤演化过程。通过拟静力试验，考察了15个足尺（400*400*2400mm）搭接锚固缺陷/加固柱的抗震性能；研究了轴压比、搭接长度、主动约束水平等参数对抗震性能的影响。采用数字图像相关技术，观察了不同搭接长度下构件塑性铰转动能力。试验验证了提出的构件分析模型，同时表明搭接锚固缺陷主要影响构件的位移延性及地震耗能能力。