【摘要】：鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)主要病害之一,將FRP(Fiber Reinforced Polymer)筋替代鋼筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中可以很好地解決鋼筋銹蝕問題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP筋混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能方面的研究相對(duì)成熟,但是對(duì)FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能的研究較少。本文在FRP筋混凝土構(gòu)件受力性能等相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究。完成了CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)筋和GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)筋混凝土框架縮尺模型的設(shè)計(jì)制作與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì),為實(shí)施振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)做好前期準(zhǔn)備工作;然后采用有限元軟件對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析比較不同類型的FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能;最后以基于性能的抗震設(shè)計(jì)和評(píng)估理論對(duì)FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。本文主要研究工作如下:(1)FRP筋混凝土框架縮尺模型設(shè)計(jì)與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。進(jìn)行了CFRP筋和GFRP筋的力學(xué)性能試驗(yàn),建立了FRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型;運(yùn)用量綱分析法對(duì)兩個(gè)分別以CFRP筋和GFRP筋為受力筋的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型相似關(guān)系設(shè)計(jì),并按照抗彎能力等效和抗剪能力等效原則完成模型配筋計(jì)算。制定了加速度傳感器、混凝土應(yīng)變片和FRP筋應(yīng)變片的布置方案,根據(jù)建筑場(chǎng)地類別、抗震設(shè)防烈度和結(jié)構(gòu)自振周期等因素選取El Centro波、Taft波、汶川波和蘭州人工波四個(gè)地震激勵(lì),安排從七度多遇、七度設(shè)防、七度罕遇到八度罕遇不同水準(zhǔn)地震作用共計(jì)30個(gè)試驗(yàn)工況,對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行單向、雙向和三向地震輸入,完成振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。(2)FRP筋混凝土框架模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。為探究FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性并為后續(xù)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)提供理論支持,利用SAP2000有限元分析軟件對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析,得到兩個(gè)模型結(jié)構(gòu)在不同加速度峰值地震激勵(lì)作用下的振型、周期等動(dòng)力特性和加速度、位移、層間位移角等動(dòng)力響應(yīng),并加以分析比較。結(jié)果表明:GFRP筋模型的自振周期變化率大于CFRP筋模型,說明GFRP筋模型的損傷程度和整體剛度退化更嚴(yán)重;CFRP筋模型的加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)均小于GFRP筋模型,說明CFRP筋模型具有更大的抗側(cè)移剛度和承載能力;兩個(gè)模型結(jié)構(gòu)都能滿足既定的抗震設(shè)防目標(biāo),且具有較高的安全儲(chǔ)備。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)不僅取決于所輸入的加速度峰值,還受地震波頻譜特性的影響,模型結(jié)構(gòu)對(duì)汶川波的地震響應(yīng)最大,建議實(shí)施振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)地震波的輸入順序依次是Taft波、El Centro波、蘭州人工波、汶川波。(3)FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震能力評(píng)估。選取地面峰值加速度作為地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo),最大層間位移角作為結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo),對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行增量動(dòng)力分析(Incremental Dynamic Analysis,簡(jiǎn)稱IDA);然后利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行插值擬合獲得IDA曲線,并將多條IDA曲線匯總統(tǒng)計(jì)成50%、16%、84%分位數(shù)曲線,從統(tǒng)計(jì)意義上確定了三個(gè)分位數(shù)下不同性能點(diǎn)的能力值。從結(jié)構(gòu)的IDA曲線可以看出,兩個(gè)模型結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出較好的變形能力和抗倒塌能力,GFRP筋模型的變形能力比CFRP筋模型強(qiáng),CFRP筋模型的抗倒塌能力比GFRP筋模型強(qiáng);兩個(gè)模型結(jié)構(gòu)的IDA曲線在地面峰值加速度達(dá)到0.788g時(shí)都未進(jìn)入平臺(tái)段,說明結(jié)構(gòu)都未發(fā)生倒塌,結(jié)構(gòu)具有較好的抗震能力和較大的安全儲(chǔ)備。
【圖文】：

力學(xué)性能與其纖維種類及含量、基體類型、生產(chǎn)工藝等因其力學(xué)性能也有一定的差異。表 1.1 列出的是幾類 FRP 鋼筋性能的對(duì)比，圖 1.1 給出了幾類 FRP 筋和鋼筋的典型表 1.1 FRP 筋與鋼筋的力學(xué)性能對(duì)比性能 普通鋼筋 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 數(shù)（10-6/℃） 11.7 8~10 0.6~1.0 數(shù)（10-6/℃） 11.7 23 25 （%） - 5 1~3 據(jù)主要取自文獻(xiàn)[17]，僅是部分產(chǎn)品參數(shù)，不代表所有產(chǎn)品

2.3.1 模型施工1.剛性底座施工模型制作的第一步是先制作兩個(gè)剛性底座，將模型剛性固定于振動(dòng)臺(tái)上，為整個(gè)結(jié)構(gòu)提供固端約束。剛性底座為 350mm 厚的鋼筋混凝土板，內(nèi)設(shè)鋼筋混凝土暗梁，采用C30 混凝土澆筑，進(jìn)行雙層雙向配筋。剛性底座上有 16 個(gè)預(yù)留螺栓孔，其定位要求十分精確，施工時(shí)可以先在振動(dòng)臺(tái)上根據(jù)螺栓孔位置定位鋼套筒，焊接成鋼管架，再放置于剛性底座中，這樣能有效減小誤差，方便模型安裝，詳見圖 2.7。在底座的四角需要設(shè)置 4 個(gè)直徑為 25mm 的吊鉤以便于模型吊裝。底座施工采用木模板，支護(hù)簡(jiǎn)單、拆模方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。施工時(shí)，，先綁扎暗梁鋼筋和板底受力筋，然后將焊好的鋼管架按定位尺寸放置于鋼筋網(wǎng)中，再綁扎板上部分布筋；模型結(jié)構(gòu)的底層柱要伸入底座中，按照施工圖中柱的位置綁扎柱筋，最后用 C30 混凝土澆筑，邊澆筑邊振搗密實(shí)。圖 2.6~2.13為底座施工過程中的記錄照片。
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU37;TU352.11

【參考文獻(xiàn)】

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1 朱虹;董志強(qiáng);吳剛;吳智深;;FRP筋混凝土梁的剛度試驗(yàn)研究和理論計(jì)算[J];土木工程學(xué)報(bào);2015年11期

2 宋榮基;江世永;余晗健;董宇;;全CFRP筋混凝土柱低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究[J];后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào);2015年03期

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