混凝土结构损伤控制技术及既有结构抗震加固方法

2015-02-03

    在结构的使用寿命期内,即便是遇到了罕见的大地震,也要求保证结构避免倒塌,这是结构抗震设计的基本要求。但是对于普通钢筋混凝土结构,由于钢筋本身弹塑性的特性使得结构在强震后的破坏程度难以控制,从而导致震后结构的可修复性较差,由此可能会造成重大的经济损失。对此,课题组率先提出了土建交通结构震后可恢复性能的损伤高度可控结构的设计理念。并在国家973计划、国家科技支撑计划和国家自然科学基金等项目的资助下进行了重点研究。新型损伤可控结构体系的特点是能动地控制构件或结构屈服后的刚度(二次刚度)、震后残余变形、终局极限状况的破坏模式以及结构系统耗能机理,进而形成“小震、中震、大震”三阶段皆可定量设计与评估的损伤可控结构体系(1)

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该体系的的荷载-位移曲线可以分为四个主要阶段(1):阶段1OB段)、阶段2BC段);阶段3CD段)和阶段4DE段)。阶段1代表结构整体屈服之前,对应于结构的弹性和开裂后阶段,小震作用下的结构位移响应保持在阶段1OB段),在此阶段内结构保持弹性,结构或构件在相应的地震烈度作用后无需修复。阶段2BC段)代表了结构在经受中等地震作用时,增强纵筋进入屈服阶段,但具有明显的屈服后硬化特征,即稳定的二次刚度,因此结构残余变形可以得到有效控制,并且地震后(中震、大震)可以快速修复,恢复原有的各项功能。阶段3CD段)相应于结构体系在二次刚度段之后的变形能力,从而使结构在大震作用下具有足够的延性,避免结构由于过高的二次刚度而产生太大的地震响应,震后结构可以通过替换部分单元进行修复。而在罕遇的特大震作用下,结构可能进入第4阶段(DE段),这一阶段的结构应能够避免倒塌,当荷载下降至极限荷载的20%时,定义为极限阶段,并能够保持结构不倒,这和传统结构的定义相同。

控制结构的二次刚度可以通过采用混杂复合材料作为结构的主要受力部件或作为结构增强的措施,从而达到改善结构或构件屈服后刚度的目的,提高非弹性阶段性能,同时可采用残余变形指标来评估结构的损伤程度及可修复性。一个典型的方法是课题组提出的钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土抗震结构(2),利用钢筋和FRP材料的优势互补,在实现复合筋材性稳定二次刚度的基础上,实现SFCB增强结构的稳定二次刚度,给出了SFCB关键构造工艺,实现了工业化批量生产。此外,还对SFCB增强混凝土柱进行了抗震性能理论和试验性能的系统研究,提出了SFCB增强混凝土柱抗震性能评价指标体系。

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SFCB增强结构的特点包括:在正常使用荷载或中小地震作用下,具有与普通钢筋混凝土结构相同的强度抵抗能力,可以充分发挥SFCB内芯钢筋带来的高弹性模量作用;利用外包FRP的高强度特性使SFCB增强的结构具有截面层次上稳定的二次刚度,这一特征可以预防塑性铰在柱脚小范围内集中转动形成的过大的塑性变形,在一个更长的区域内实现曲率的较均匀分布,减小截面的需求曲率,因而相应的减小SFCB中内芯钢筋塑性的应变;SFCB代替普通钢筋,不改变截面的初始屈服强度,有利于结构抗震设计时控制损伤截面的位置,强地震荷载作用下,可以控制损伤截面的位置对结构的变形能力具有重要的影响。

    对于既有混凝土桥墩柱的抗震加固,可以通过传统的外包FRP布约束来保证其在强震作用下的延性,但震后残余位移和损伤的有效控制依然需要进一步提高。课题组基于理想抗震结构理念,提出了一种新型抗震加固方法,即在柱脚塑性铰区域嵌入BFRP筋同时外包BFRP布进行组合加固(3)。这种加固方式不改变原混凝土结构的弹性刚度,可以在保证延性的同时大幅度提高抗弯承载力,同时实现稳定的二次刚度。值得注意的是,在使用该加固方法时,应避免发生类似于在阪神地震中部分桥墩由于纵筋切断而引起的剪切破坏,这就要求柱脚嵌入BFRP筋的加固长度应限制在合理长度内以避免改变柱子的破坏模式。

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