碳纤维加固钢筋混泥土框架抗震性能研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 4.27MB 85 页 15积分
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摘 要
随着我国城市建设力度的不断加大，对既有建筑进行鉴定评估和加固改造日
益受到人们的重视，碳纤维材料作为一种高强轻质材料，越来越多的被应用到建
筑加固中。本文以“强柱弱梁，强节点弱构件”为抗震设计原则，按缩尺比例 1∶2
设计三榀钢筋混凝土框架模型，三榀框架模型均按相同的尺寸及截面配筋设计，
加载制度保持一致，其中 KJ-1 为不进行任何加固处理的对比框架模型，KJ-2 为推
拉至屈服后进行补强加固的框架模型，模拟由于偶然作用等导致结构受损而引起
的加固问题，KJ-3 为直接加固框架模型，加固形式与 KJ-2 相同，模拟由于改变建
筑物的使用功能等原因导致承载力不足而引起的加固问题。
通过低周反复荷载试验，本文考察了三榀框架结构的破坏过程和破坏形态，
研究探讨了框架在碳纤维布加固前后的承载能力、延性性能、整体耗能能力及刚
度退化的变化情况等，针对两种加固情况，分别与未加固处理框架进行比较分析，
对加固后框架结构受力性能的改善效果进行了评价。试验结果表明，碳纤维布加
固钢筋混凝土框架结构，能有效提高其极限承载能力和整体耗能能力，维持框架
的后期刚度和稳定性等等，对于直接进行碳纤维补强的框架加固效果更为明显。
最后，采用塑性极限分析的方法，对 KJ-1 和KJ-3 进行了极限荷载理论值求解，并
与试验值进行了比较。试验结果分析希望能对今后的加固改造工程有一定的参考
意义。
关键词：碳纤维 加固 框架 承载能力 抗震性能
Abstract
With the development of construction in our country, it plays an important role on
assessing and strengthening old structures. As a new structural engineering material
with excellent mechanical strength and low weight, carbon fiber reinforced polymer
(CFRP) has been used into more projects. “Column is stronger than beam, node is
stronger than member”, it is the principle of aseismic design in this paper. Three
reinforced concrete frame models with the scale of 1:2 are designed, which are same in
dimension, bars of cross section and loading system. KJ-1 is an original frame model
which is not strengthened with any material as the compared frame; KJ-2 is a frame
model which is strengthened with CFRP after it yields; KJ-3 is the one which is
strengthened before testing.
The same program is performed on the three structures through low-cyclic loading
test. The experimental program aims at the following objectives: to observe the
responses of the frames designed according to different strengthening cases, to discuss
the loading capacity and aseismic behaviors, and to assess the opportunity of using
composite materials as an effective technique for the seismic repair of RC frames.
Comparisons between original and strengthened structures are discussed in terms of
bearing capacity and aseismic behavior respectively. The experimental results indicate
that the ultimate bearing capacity and energy dissipation capacity of RC frames
strengthened by CFRP are improved efficiently, and the strengthening effect of KJ-3 is
better. In the end, the ultimate loads of KJ-1 and KJ-3 are calculated by plastic theory of
limit design. The results will represent a reference database for the development of
design criteria for the seismic strengthening of RC frames using cabon fiber reinforced
polymers.
Key word: carbon fiber, strengthen, frame, bearing capacity,
aseismic behavior
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 概述 ....................................................................................................................1
§1.2 加固方法比较 ....................................................................................................2
§1.2.1 传统加固方法 .........................................................................................2
§1.2.2 碳纤维复合材料加固方法 .....................................................................3
§1.3 国内外研究现状 ...............................................................................................4
§1.3.1 国内研究现状 .........................................................................................4
§1.3.2 国外研究现状 .........................................................................................5
§1.4 外贴碳纤维复合增强材料的性能特点 ...........................................................6
§1.4.1 碳纤维片材(CFRP) ................................................................................ 6
§1.4.2 环氧树脂 .................................................................................................8
§1.4.3 树脂类粘结材料 .....................................................................................8
§1.5 课题意义 ...........................................................................................................9
第二章 CFRP 加固钢筋砼构件的受力性能分析 ........................................................11
§2.1 前言 .................................................................................................................11
§2.2 梁的加固 ..........................................................................................................11
§2.1.1 基本假定和基本前提 ...........................................................................12
§2.2.2 破坏形式 ...............................................................................................12
§2.2.3 典型的几种极限承载力计算方法 .......................................................14
§2.3 柱的加固 .........................................................................................................16
§2.3.1 加固柱的研究现状 ...............................................................................16
§2.3.2 加固方式 ...............................................................................................17
§2.3.3 框架柱截面界限破坏条件下的延性 ...................................................18
§2.4 节点的加固 .....................................................................................................20
§2.4.1 节点的破坏过程和受力机理 ................................................................20
§2.4.2 影响节点强度因素初步分析 ................................................................21
第三章 结构模型试验设计 .........................................................................................23
§3.1 引言 .................................................................................................................23
§3.2 模型的设计和制作 .........................................................................................23
§3.2.1 模型的设计 ...........................................................................................23
§3.2.2 模型的制作 ...........................................................................................27
§3.3 试验方案 .........................................................................................................32
§3.3.1 加载方案和加载设备 ...........................................................................32
§3.3.2 量测系统和测点布置 ...........................................................................33
§3.3.3 试验工况和加荷制度 ...........................................................................36
§3.4 本章小结 .........................................................................................................37
第四章 试验结果分析 ...................................................................................................38
§4.1 模型受力过程及破坏情况 .............................................................................38
§4.1.1 钢筋混凝土框架 KJ-1 ..........................................................................38
§4.1.2 损伤屈服后加固框架 KJ-2 ..................................................................40
§4.1.3 碳纤维加固框架 KJ-3 ..........................................................................41
§4.2 试验数据分析 .................................................................................................43
§4.2.1 抗震性能分析 .......................................................................................44
§4.2.2 承载能力分析 .......................................................................................55
§4.2.3 结构侧移及延性分析 ...........................................................................56
§4.3 本章小结 .........................................................................................................62
第五章 结构的塑性极限分析 .......................................................................................64
§5.1 极限分析的假设 ..............................................................................................64
§5.2 计算极限载荷的方法 ......................................................................................65
§5.2.1 极限平衡法 ...........................................................................................65
§5.2.2 增量变刚度法 .......................................................................................66
§5.3 框架的极限荷载 ..............................................................................................66
§5.3.1 框架截面极限弯矩 ...............................................................................67
§5.3.2 确定可能的破坏机构的数目 ...............................................................69
§5.3.3 比较法 ...................................................................................................72
§5.4 本章小结 ..........................................................................................................73
第六章 结论与展望 .......................................................................................................75
§6.1 结论 ..................................................................................................................75
§6.2 展望 ..................................................................................................................76
参考文献 .........................................................................................................................77
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................82
致 谢 .............................................................................................................................83
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 概述
随着我国城市建设力度的不断加大，各地面貌推陈出新，满足不同功能要求
和审美要求的建筑物不断涌现，在满足数量的同时，人们也逐渐对建筑物的安全
性、耐久性和适用范围提出了越来越高的要求。社会的需求在不断变化，设计标
准也一直保持更新，性能和技术要求越来越高，在不断发展和采用新型结构、新
材料及新的施工工艺来满足新建筑要求的同时，对既有建筑进行鉴定评估和加固
改造已越来越受到人们的重视，对既有的结构物在未达到其使用寿命以前如何提
高其安全保障能力成了一项重要任务，建筑结构加固已成为建筑行业的一个重要
分支[1]。实际上，存在着很多不确定的原因使得现存的结构物(如桥梁和大楼等)或
其部分构件出现了强度不够的问题，这有可能是由于机械损伤、结构构件功能的
改变、地基不均匀沉降引起的附加应力以及预应力张拉过程中出现张拉损失过多
等原因造成的，这些结构物都需要加固。
当前，对现有结构物的加固改造已成为许多国家土木建筑领域的主要研究和
投资方向。如 ASCE(美国土木工程师协会)在一份报告中估计，从 1999～2003 年，
美国仅用于修复混凝土基础设施的费用就将达 1万3千亿美元。纤维复合材料由
于具有轻质、高强、便于施工、耐腐蚀等优点[2-6]，将成为发展势头最好的增强材
料之一，其应用范围与用量正以很快的速度在增长[7]。欧美发达国家建筑早已趋于
饱和，而国内尤其在各大中城市，建筑也渐渐走入维修加固与新建并重时期，对
既有建筑大规模拆建是不可能的，于是迎来了对原有建筑现代化改造的高潮，这
种改造的造价只有新建的 30-60%[8]，从施工技术、工期上也都是可行的，很快得
到肯定和推广。
我国水泥生产量占世界总产量的 1/3 以上，混凝土工程量在世界上名列前茅，
而我国区域辽阔，地跨温热二带，北方为寒冷地区，海岸线长达 1.8 万多公里，又
处于地震多发区域，因此我国混凝土结构面临更严峻的条件[9]。而二十世纪八十年
代以前，我国的混凝土结构中普遍存在工程质量问题，加之使用化学添加剂和受
到外界种种介质侵蚀，造成混凝土结构腐蚀严重，如混凝土开裂、剥落、钢筋锈
蚀等，甚至使构件丧失其原有的承载力，混凝土结构的耐久性一般低于发达国家，
致使加固问题更为突出。据专家预测，在 21 世纪初我国将出现混凝土结构物维修
碳纤维加固钢筋混凝土框架抗震性能研究
2
高潮，并将持续相当长一段时间，每年所需维修费用可能高达数千亿元之多。因
此，对于钢筋混凝土结构补强加固的问题研究显得尤为显著和紧迫。
随着碳纤维加固技术的不断发展，国内外众多学者对加固后混凝土结构的极
限承载力进行了大量实验研究和理论探索，并取得了卓有成效的成果，但是主要
侧重于结构单一构件，如梁、柱和节点的加固承载力等性能分析，对于框架结构
加固及其整体抗震性能的提高和构件之间相互约束影响方面的分析尚不多见，因
此对这一问题展开深入研究具有重要的现实意义和理论价值。下面将先对碳纤维
加固的特点及承载力研究现状作简要概述。
§1.2 加固方法比较
近些年来，随着人们对建筑物补强加固研究课题投入的增多，相应的研究成
果也越来越多。到目前为止，补强加固的方法较多，工程中常用的钢筋混凝土结
构补强加固方法主要有：增大截面加固法、外包钢法、碳纤维补强加固法、玻璃
钢纤维加固法、喷射混凝土法、改变受力体系加固法、粘钢加固法或预应力加固
技术等等。
在传统加固方法中仅就加固技术而言，采用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber
Reinforced Polymer，简称CFRP)对钢筋混凝土结构进行修复加固的方法，与钢筋混
凝土增厚法(增大截面法，即在原结构上浇注一定厚度的钢筋混凝土)、体外预应力
法(包括通过增设支点和托梁改变受力体系的加固法)、钢板加固法(包括外包法和
粘钢法)及隔震耗能法(即设法在原结构的基础上外加和内加隔震层和附加隔震部
件及震动控制装置)等相比，具有较高的强度，较好的耐腐蚀和耐久性能，不增加
构件自重及体积，适用范围广和便于施工等优点，而深得人们的重视和推崇，而
且随着CFRP材料的进一步国产化，提高材料质量并降低成本后，其优势将更加突
出。从目前国内外的发展情况看，碳纤维材料应用于建筑业的研究开发活动正呈
积极活跃的势态。中国拥有巨大的建筑市场，碳纤维加固技术作为一种新兴的、
技术含量高的加固方法，具有很大的研究推广价值和社会经济效益，用于加固钢
筋混凝土结构潜力巨大，近年来世界各地的研究小组对CFRP加固混凝土结构的实
践和研究的迅速发展也证明了这项新技术的重要性和实用性[10]。
§1.2.1 传统加固方法
对钢筋混凝土结构补强加固的方法有很多种，简述如下：
1、增大截面法即增大构件的截面面积(混凝土和配筋量)，这种加固方法的优
摘要：

摘要随着我国城市建设力度的不断加大，对既有建筑进行鉴定评估和加固改造日益受到人们的重视，碳纤维材料作为一种高强轻质材料，越来越多的被应用到建筑加固中。本文以“强柱弱梁，强节点弱构件”为抗震设计原则，按缩尺比例1∶2设计三榀钢筋混凝土框架模型，三榀框架模型均按相同的尺寸及截面配筋设计，加载制度保持一致，其中KJ-1为不进行任何加固处理的对比框架模型，KJ-2为推拉至屈服后进行补强加固的框架模型，模拟由于偶然作用等导致结构受损而引起的加固问题，KJ-3为直接加固框架模型，加固形式与KJ-2相同，模拟由于改变建筑物的使用功能等原因导致承载力不足而引起的加固问题。通过低周反复荷载试验，本文考察了三榀框...

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：85 页 大小：4.27MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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