不同类型FRP筋混凝土框架结构抗震性能对比分析

发布时间：2020-03-20 22:09

【摘要】：钢筋锈蚀是混凝土结构主要病害之一,将FRP(Fiber Reinforced Polymer)筋替代钢筋应用于混凝土结构中可以很好地解决钢筋锈蚀问题。目前国内外对FRP筋混凝土构件结构性能方面的研究相对成熟,但是对FRP筋混凝土框架结构整体抗震性能的研究较少。本文在FRP筋混凝土构件受力性能等相关研究成果的基础上,进一步开展FRP筋混凝土框架结构整体抗震性能研究。完成了CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)筋和GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)筋混凝土框架缩尺模型的设计制作与振动台试验设计,为实施振动台试验做好前期准备工作;然后采用有限元软件对模型结构进行动力弹塑性时程分析,根据数值模拟结果分析比较不同类型的FRP筋混凝土框架结构的抗震性能;最后以基于性能的抗震设计和评估理论对FRP筋混凝土框架结构的抗震性能进行分析和评价。本文主要研究工作如下:(1)FRP筋混凝土框架缩尺模型设计与振动台试验设计。进行了CFRP筋和GFRP筋的力学性能试验,建立了FRP筋的应力-应变本构关系模型;运用量纲分析法对两个分别以CFRP筋和GFRP筋为受力筋的框架结构进行模型相似关系设计,并按照抗弯能力等效和抗剪能力等效原则完成模型配筋计算。制定了加速度传感器、混凝土应变片和FRP筋应变片的布置方案,根据建筑场地类别、抗震设防烈度和结构自振周期等因素选取El Centro波、Taft波、汶川波和兰州人工波四个地震激励,安排从七度多遇、七度设防、七度罕遇到八度罕遇不同水准地震作用共计30个试验工况,对模型结构进行单向、双向和三向地震输入,完成振动台试验设计。(2)FRP筋混凝土框架模型结构动力弹塑性时程分析。为探究FRP筋混凝土框架结构动力特性并为后续振动台试验提供理论支持,利用SAP2000有限元分析软件对两个试验模型进行动力弹塑性时程分析,得到两个模型结构在不同加速度峰值地震激励作用下的振型、周期等动力特性和加速度、位移、层间位移角等动力响应,并加以分析比较。结果表明:GFRP筋模型的自振周期变化率大于CFRP筋模型,说明GFRP筋模型的损伤程度和整体刚度退化更严重;CFRP筋模型的加速度响应和位移响应均小于GFRP筋模型,说明CFRP筋模型具有更大的抗侧移刚度和承载能力;两个模型结构都能满足既定的抗震设防目标,且具有较高的安全储备。结构的动力响应不仅取决于所输入的加速度峰值,还受地震波频谱特性的影响,模型结构对汶川波的地震响应最大,建议实施振动台试验时地震波的输入顺序依次是Taft波、El Centro波、兰州人工波、汶川波。(3)FRP筋混凝土框架结构基于性能的抗震能力评估。选取地面峰值加速度作为地震动强度指标,最大层间位移角作为结构损伤指标,对模型结构进行增量动力分析(Incremental Dynamic Analysis,简称IDA);然后利用Origin数据处理软件进行插值拟合获得IDA曲线,并将多条IDA曲线汇总统计成50%、16%、84%分位数曲线,从统计意义上确定了三个分位数下不同性能点的能力值。从结构的IDA曲线可以看出,两个模型结构都表现出较好的变形能力和抗倒塌能力,GFRP筋模型的变形能力比CFRP筋模型强,CFRP筋模型的抗倒塌能力比GFRP筋模型强;两个模型结构的IDA曲线在地面峰值加速度达到0.788g时都未进入平台段,说明结构都未发生倒塌,结构具有较好的抗震能力和较大的安全储备。
【图文】：

应力应变关系,钢筋,力学性能,钢筋性能

力学性能与其纤维种类及含量、基体类型、生产工艺等因其力学性能也有一定的差异。表 1.1 列出的是几类 FRP 钢筋性能的对比，图 1.1 给出了几类 FRP 筋和钢筋的典型表 1.1 FRP 筋与钢筋的力学性能对比性能普通钢筋 GFRP 筋 CFRP 筋 g/cm3） 7.85 1.25~2.1 1.5~1.6 量（GPa） 200 35~65 120~580 度（MPa） 490~600 500~1600 600~3700 （MPa） 300~400 - - 率（%） >10 2.7~3.1 1.5~1.8 数（10-6/℃） 11.7 8~10 0.6~1.0 数（10-6/℃） 11.7 23 25 （%） - 5 1~3 据主要取自文献[17]，仅是部分产品参数，不代表所有产品

搭脚手架,底座,模板

2.3.1 模型施工1.刚性底座施工模型制作的第一步是先制作两个刚性底座，将模型刚性固定于振动台上，为整个结构提供固端约束。刚性底座为 350mm 厚的钢筋混凝土板，内设钢筋混凝土暗梁，采用C30 混凝土浇筑，进行双层双向配筋。刚性底座上有 16 个预留螺栓孔，其定位要求十分精确，施工时可以先在振动台上根据螺栓孔位置定位钢套筒，焊接成钢管架，再放置于刚性底座中，这样能有效减小误差，方便模型安装，详见图 2.7。在底座的四角需要设置 4 个直径为 25mm 的吊钩以便于模型吊装。底座施工采用木模板，支护简单、拆模方便、经济实用。施工时，，先绑扎暗梁钢筋和板底受力筋，然后将焊好的钢管架按定位尺寸放置于钢筋网中，再绑扎板上部分布筋；模型结构的底层柱要伸入底座中，按照施工图中柱的位置绑扎柱筋，最后用 C30 混凝土浇筑，边浇筑边振捣密实。图 2.6~2.13为底座施工过程中的记录照片。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU37;TU352.11

【参考文献】