考虑结构损伤的CFRP修复RC墩柱地震损伤模型研究.pdf
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1、文章编号:0258-2724(2024)02-0332-11DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20220176考虑结构损伤的 CFRP 修复 RC 墩柱地震损伤模型研究龚婉婷,钱永久,徐望喜(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)0.3 D 0.6摘要:为研究碳纤维材料(CFRP)修复损伤钢筋混凝土(RC)结构遭受地震作用的损伤演化规律,准确量化修复损伤结构状态,进行了 10 个钢筋混凝土圆墩柱拟静力试验,其中,8 个墩柱试件为使用不同 CFRP 加固方法进行修复的损伤试件.基于试验结果,对 8 个典型地震损伤模型进行研究分析,引入材料性能折减系数来考虑结构初
2、始损伤,建立了 CFRP 修复 RC 墩柱的双参数地震损伤模型,并根据试验现象和改进的损伤模型对钢筋混凝土结构的损伤程度进行量化分析.研究表明:使用典型地震损伤模型计算修复柱的损伤指标时,计算试件破坏时的损伤指标普遍偏大,且同一墩柱模型损伤指数的变化趋势有较大差异,损伤指数发展趋势与试验现象不符;根据试件参数进行非线性回归分析,得到了组合系数与设计参数的经验表达式,建议的损伤模型能够较好模拟 CFRP 修复加固墩柱的地震损伤演化过程;定义了钢筋混凝土结构损伤的 5 个等级,并给出 5 个等级的损伤指标界限值;对中等损伤(,D 为损伤指标)的墩柱结构,建议对结构表面修复平整后使用预应力 CFRP
3、 加固以达到更好的效果.关键词:地震损伤模型;损伤钢筋混凝土圆墩柱;CFRP;加固方法;修复中图分类号:TU375.3;U445.7.2文献标志码:ASeismic Damage Model of RC Pier Repaired withCFRP Considering Initial DamageGONG Wanting,QIAN Yongjiu,XU Wangxi(SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Inordertostudythedamageevolutio
4、nlawofdamagedreinforcedconcrete(RC)structuresrepairedwithcarbonfiberreinforcedplastics(CFRP)underearthquakeactionandaccuratelyquantifythedamagestatusofrepairedstructures,aquasi-statictestof10circularRCpierswascarriedout,eightofwhichwererepairedbydifferentCFRPreinforcementmethods.Thetestresultswerest
5、udiedbasedoneighttypicalearthquakedamagemodels,andatwo-parameterseismicdamagemodelforRCpiersrepairedwithCFRPwasestablished,inwhichthereductioncoefficientofmaterialpropertieswasintroducedtoanalyzetheinitialdamagetothestructure.ThedamagedegreeofRCstructureswasquantifiedaccordingtotheexperimentalphenom
6、enonandtheimproveddamagemodel.Theresultsshowthatwhenthedamageindexoftherepairedpieriscalculatedbyusingthetypicalearthquakedamagemodel,thedamageindexofthedamagedspecimensisgenerallytoolarge,andthevariationofthedamageindexofthesamepiermodelisquitedifferent.Thedevelopmenttrendofthedamageindexisnotconsi
7、stentwiththeexperimentalphenomenon.Basedonthenonlinearregressionanalysisofthespecimen parameters,the empirical expressions of the combination coefficients and design parameters are收稿日期:2022-03-08修回日期:2022-06-11网络首发日期:2022-07-07基金项目:国家自然科学基金(51778532)第一作者:龚婉婷(1993),女,博士研究生,研究方向为桥梁抗震与加固,E-mail:通信作者:钱永
8、久(1963),男,教授,博士生导师,研究方向为桥梁检测与加固,E-mail:引文格式:龚婉婷,钱永久,徐望喜.考虑结构损伤的 CFRP 修复 RC 墩柱地震损伤模型研究J.西南交通大学学报,2024,59(2):332-342GONGWanting,QIANYongjiu,XUWangxi.SeismicdamagemodelofrcpierrepairedwithcfrpconsideringinitialdamageJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2024,59(2):332-342第59卷第2期西南交通大学学报Vol.59No.22024年
9、4月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYApr.20240.3 D 0.6obtained.TheproposeddamagemodelcanbettersimulatetheseismicdamageevolutionprocessofpiersrepairedwithCFRP.FivegradesofRCstructuredamagearedefined,andthedamageindexlimitvalueofthefivegradesisgiven.Formoderatelydamagedpierstructures(,Disthedamageind
10、ex),itisrecommendedtousepre-stressedCFRPreinforcementafterrepairingandlevelingthestructuralsurfacetoachievebetterresults.Key words:seismicdamagemodel;damagedcircularRCpier;CFRP;reinforcementmethod;repair地震记录表明,一次地震的发生往往伴随着前震和余震.如 1976 年唐山大地震中,一部分建筑及桥梁结构在主震中已有一定程度的破坏,而在随后的强余震作用下破坏加剧甚至倒塌1.随着我国公路、铁路网的发
11、展,跨断层桥梁不可避免增多,在地震作用下跨断层桥梁具有更复杂的受力特点和破坏形式2.因此,为了避免上述结构破坏造成交通生命线的中断和人员伤亡,有必要对此类损伤结构进行快速加固以便应急使用.碳纤维增强材料具有良好的物理性能,广泛应用于钢筋混凝土结构中,已有不少学者研究了 CFRP(carbonfiberreinforcedplastics)外包完好构件或结构的抗震性能,并取得了一系列成果3-5.但实际需要加固的结构往往是受到火灾、撞击、环境锈蚀、地震等非自然或自然因素的影响,带有一定损伤或缺陷.近年来,学者们关注的重点从加固完好结构逐渐转移到加固有一定初始缺陷的结构,研究结果表明,使用 CFRP
12、 加固能一定程度改善缺陷构件的抗震性能6-10,对外包加固的 CFRP 施加一定程度预应力,使其约束作用由被动变为主动,可以取得更好的加固效果3.美国加州结构工程师协会 2000 委员会(SEAOCVision2000committee)于九十年代提出了基于性态的抗震设计思想,研究人员认为,合理评价结构或构件在地震作用下的抗震性能是实现基于性态的抗震设计理念的有效途径,通常使用无量纲的损伤指标D 来量化结构或构件的损伤程度.Park 等11提出的正则化变形和耗能线性叠加的双参数损伤模型得到了各国地震工程研究领域学者们的普遍认可和广泛应用12-15.但多数研究是针对完好结构的性能量化分析,对加固
13、有初始损伤的结构再次遭受地震力作用的抗震性能量化则鲜有探讨.鉴于此,开展了 10 个钢筋混凝土圆墩柱拟静力试验,基于 8 个典型地震损伤模型对试验结果进行了研究分析.通过采用引入材料性能折减系数的方法建立了考虑结构初始损伤的 CFRP 修复钢筋混凝土(RC)墩柱的双参数地震损伤模型.根据试件的轴压比、纵筋率以及箍筋和 CFRP 布的双重横向约束效应等参数,对模型中组合系数进行回归分析,得到了组合系数的经验表达式,最后,根据试验现象和改进的损伤模型对钢筋混凝土结构的损伤程度进行量化.研究成果可为修复加固损伤RC 墩柱受地震作用的损伤评估提供参考依据和理论支持.1 试验概况 1.1 试件设计tfP
14、maxkhrdE开展了 10 个钢筋混凝土圆墩柱拟静力试验,其中,1 根为未加固对比试件,1 根为普通 CFRP 加固对比试件.未加固对比试件直接进行拟静力加载至破坏.试件编号及设计参数如表 1 所示.表中:d0为预损伤时墩身裂缝宽度;为碳纤维布厚度;为峰值承载力;为纤维布有效拉应变系数,定义为拟静力试验中实测 CFRP 极限应变与 CFRP在材料试验中极限应变的比值,为累积滞回耗能,E 为耗能.各试件的几何尺寸和内部配筋构造相同,柱身均为圆截面实心墩,圆截面直径为 280mm,墩柱试验段有效高度为 1300mm.试件选用商品混凝土C30 进行整体浇筑,纵筋选用 HRB335,配筋率为1.47
15、%,箍筋选用 HPB235,体积配箍率为 1.05%,试件的轴压比均为 0.2,CFRP 布的包裹区域为墩底550mm 范围.截面尺寸、钢筋布置以及加固方式如图 1.1.2 加载制度及预损伤D=mu+dEFyumuFy根据 Park-Ang 损伤指标()标定未加固对比试件每个加载步对应的损伤指标,其中:为地震作用下构件极限位移,为构件在单调荷载作用下极限位移,为修正系数,为构件在低周循环中的等效屈服强度.欧进萍等14提出的混凝土结构损伤指标等级范围为:基本完好(0D0.200);轻微破坏(0.200D0.400);中等破坏(0.400D0.600);严重破坏损伤指数(0.600D0.900);
16、倒塌时损伤指数在(0.900 y,i=E,i 0,E+i0p0(1E),i 0D7付国等20D7=mu+eiEiFyu,ei=1im/ylog(uy)(imy)D8傅剑平等21D8=e(0.13m0.39)mu+e(3.350.18m)dEFyu 2.2 试件损伤分析基于试验数据,代入表 2、3 的地震损伤模型进行计算.使用 MATLAB 编程对计算结果进行分析,得到反映加载损伤情况随循环周数的变化趋势示意以及加载过程中试件状态对应的损伤指标,如图 5和表 4 所示,表中:SC、MC、BC 分别为按照 Park-Ang 模型计算预损为 0.1、0.3、0.6 的试件.由于篇幅限制,仅展示部分试
17、件计算结果.4.0D1D2D3D4D5D6D7D8D1D2D3D4D5D6D7D8D1D2D3D4D5D6D7D8D1D2D3D4D5D6D7D8D1D2D3D4D5D6D7D8D1D2D3D4D5D6D7D83.53.02.52.01.51.00.500510(a)SC1C(d)MC2P(e)BC1P(f)BC2P(b)SC1P(c)MC1P152025循环周数/周D3.53.02.52.01.51.00.500510152025循环周数/周D4.03.53.02.52.01.51.00.500510152025循环周数/周D4.03.53.02.52.01.51.00.5005101520
18、25循环周数/周D4.03.53.02.52.01.51.00.500510152025循环周数/周D3.53.02.52.01.51.00.500510152025循环周数/周D图5损伤指数变化趋势Fig.5Variationofdamageindices墩柱模型在地震力作用下按损伤指数计算的损伤发展趋势走向应该一致,但从图中损伤指数计算的情况来看,同一墩柱模型损伤指数的变化趋势有一定差异.从表 3 可知:总体来说多数损伤模型计算的试件破坏时的损伤指标偏大,其中 Park 等11和Chai 等5计算试件破坏时损伤指标明显偏大,其计算的修复试件的损伤指标均值在 2.053.37,仅以变形量作为
19、损伤量计算的 Powell 损伤指标模型计336西南交通大学学报第59卷算所有墩柱破坏时的损伤指标偏小,且破坏时小于1.00,与实际情况不符;其余损伤指标模型计算的试件破坏时损伤指标均值主要范围为 1.003.00;试件破坏时,各损伤模型对修复试件的损伤指标计算值均大于对比试件.单参数损伤模型中,以刚度变化为计算量的 Roufaiel 等17模型计算修复加固试件破坏时均值在1.061.40;双参数模型中,基于Park 等11地震损伤模型对变形和能量项都进行修改的王东升等19模型和对能量项进行修改的付国等20模型计算对比试件破坏时其损伤指标低于 1.00,计算修复试件损伤指标高于 1.00;对未
20、损试件破坏时损伤指标计算结果与实际情况最符合的是付国等20和傅建平等21模型,其值为 0.98 和 1.01;对修复试件破坏时损伤指标计算结果与实际情况最符合的是 Roufaiel模型,其均值为 1.25.表 4 试件破坏时损伤指标均值Tab.4Meanvalueofdamageindexduringspecimendamage编号所有试件破坏时均值对比柱SCMCBC修复试件均值D10.480.470.86 0.75 0.750.79D20.670.631.40 1.06 1.311.25D31.301.242.56 2.05 2.102.24D41.401.332.91 2.39 2.732
21、.67D51.771.713.73 3.06 3.473.42D60.770.631.76 1.36 1.781.63D70.870.981.86 1.58 1.581.67D81.351.012.65 2.14 3.022.60 3 CFRP 修复 RC 墩柱的改进损伤模型 3.1 定义初始损伤刘杰东22通过对 97 个钢筋混凝土试件低周反复加载试验数据的分析和处理,统计回归了不同Park 损伤指标时构件的强度退化系数为F=1+1D+2D2,(1)12式中:、为与材料力学特性相关的拟合参数,分别如式(2)、(3).1=0.1270.000 586fyw+0.229(fyw1 000)2+0.
22、001 43fc,(2)2=1.013+0.585n01.762n20+0.183t+10.959fc,(3)fywfc式中:为箍筋屈服强度;为混凝土标准圆柱体抗压强度.为反映修复加固损伤结构的初始损伤情况,根据式(1)(3)计算构件强度退化系数,计算结果如表 5 所示.表 5 损伤试件材料性能退化系数Tab.5Degradationcoefficientofmaterialpropertyofdamagedspecimens试件名称Park损伤指数FSC1C0.10.95SC1P0.10.95MC1C0.30.86MC1P0.30.86MC2P0.30.86BC1C0.60.73BC1P0.
23、60.73BC2P0.60.73EsdEs(Esd=0.67Es)(Esd=05Es)(Esd=0.2Es)对于修复后损伤试件中钢筋的力学性能也需要进行折减,Vosooghi 等23表示其弹性模量低于无损钢筋的弹性模量,提出根据损伤试件的破损状态(DS)对钢筋的弹性模量进行折减的方法,具体定义:DS-1 为出现弯曲裂缝;DS-2 为混凝土剥落或出现剪切裂缝;DS-3 为混凝土出现较多裂缝以及剥落;DS-4 为纵筋屈曲或箍筋暴露(Esd=0.30.4Es);DS-5 为核心混凝土压溃.修复试件钢筋的屈服应力不变,本文SC、MC、BC 损伤试件钢筋弹性模量对应的折减系数取 1.00、0.67、0.
24、50.3.2 改进损伤模型Park 损伤指标模型综合考虑了位移与累积耗能对结构损伤的贡献,比仅考虑最大变形或耗能的单参数损伤模型更合理,因此,在工程界得到了广泛应用.但该模型存在上下界不收敛的问题.针对上述不足,陈林之等24提出修正的损伤模型,其表达式为De=(1)mu+Fy(uy)dE.(4)结构或构件开裂前变形较极限变形相比很小,且开裂处于弹性阶段,此时结构累积耗能为 0,式(4)第 1 项也近似为 0,故用公式表达的损伤指标在弹性阶段的计算值等同为 0.假设结构为理想弹塑性体系,在单调加载至破坏时,此时按式(4)计算的损第2期龚婉婷,等:考虑结构损伤的 CFRP 修复 RC 墩柱地震损伤
25、模型研究337伤指标为 1.经分析得到此模型上下界收敛的特性,故本文在此模型的基础上进行改进,建立考虑墩柱初始损伤的 CFRP 加固 RC 墩柱的地震损伤模型.y1基于陈林之等24提出的修正模型,本人引入拟静力试验中的屈服位移,重构变形和耗能组合系数,建立如下修正损伤模型为Dg=(1)ry1uy1+dEFy(uy1),(5)r式中:为加固试件试验中最大水平剪力所对应的实测位移.s,vfv,f为计算单调荷载作用下 CFRP 包裹构件的极限变形位移,将 CFRP 折算为箍筋计算加固后钢筋混凝土圆墩柱单调加载下的极限位移.根据 FRP 条带折算有效系数确定约束混凝土的约束程度,则 CFRP布与箍筋的
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