FRP筋混凝土框架结构节点抗震性能有限元分析

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钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构过早损坏甚至丧失承载能力的原因之一。使用FRP(Fiber Reinforced Polymer)筋替代钢筋,作为部分受力筋或全部受力筋用于混凝土结构中,是解决钢筋锈蚀导致钢筋混凝土结构损坏的途径之一。就目前而言,针对FRP筋混凝土结构的研究主要为梁和柱等构件的基本性能的研究,而针对FRP筋混凝土框架整体结构抗震性能的研究相对较少。本课题在FRP筋混凝土框架节点抗震性能试验研究的基础上,建立FRP筋混凝土框架节点数值模型,进行有限元分析,并延伸至一榀FRP筋混凝土框架,对其整体抗震性能进行深入研究。本文分别以钢筋、GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)筋、BFRP(Basalt Fiber Reinforced Polymer)筋为主要受力筋,制作6组框架梁柱节点试件,节点型式为T型和十字型,缩尺比例为1/2。通过低周往复加载试验,进行了框架梁柱节点试件滞回性能研究。进而利用ABAQUS软件建立相应的试件数值模型,通过数值计算,对实际试验结果及软件计算结果比较分析,验证数值模型有效性。在此基础上,开展不同种类加强筋的整榀混凝土框架的抗震性能研究,并通过改变框架模型的不同参数,研究参数变化对框架抗震性能的影响。本文研究主要结论如下:1、FRP筋抗拉强度高、质量小、有较好的耐腐蚀性,尽管与钢筋混凝土框架结构相比,延性性能稍差,但试验结果表明,GFRP筋、BFRP筋的混凝土框架梁柱节点试件仍表现出良好的变形和承载性能。即便在加载后期,FRP筋混凝土框架节点试件的整体承载力也未出现明显下降。其主要破坏位于塑性铰区梁端位置,破坏型式为梁端弯曲破坏。2、通过ABAQUS有限元仿真模拟软件,建立相应框架节点模型进行仿真模拟分析,对现场试验结果及有限元模拟结果进行分析及对比,滞回曲线及骨架曲线等抗震性能指标基本吻合,所建数值模型可用于FRP筋混凝土框架深入分析。分析结果表明,由于FRP筋并无屈服点,试件在试验过程中处于弹性阶段,混凝土与FRP筋能较好的协同工作,裂缝沿梁端能较为均匀分布,应力能够均匀的向梁外端传递,构件的抗震性能在一定程度上有所提升。3、在节点有限元模型基础上,拓展建立三种不同类筋混凝土一榀框架,进行ABAQUS有限元数值模拟,通过滞回曲线、骨架曲线、刚度退化及延性系数,对GFRP筋混凝土框架、BFRP筋混凝土框架及钢筋混凝土框架的抗震性能做出分析。结果显示GFRP筋、BFRP筋混凝土框架整体承载力高于钢筋混凝土框架,初始刚度小于钢筋混凝土框架,但刚度退化缓慢,与钢筋混凝土框架接近。GFRP筋、BFRP筋混凝土框架的耗能能力与延性略低于钢筋混凝土框架。BFRP筋混凝土框架的整体承载力略高于GFRP筋混凝土框架。但总体而言FRP筋混凝土框架仍具有良好的抗震性能。4、通过改变框架数值模型中的轴压比及梁端配筋率,结果显示,GFRP筋混凝土框架、BFRP筋混凝土框架及钢筋混凝土框架的承载力均有所提高,但后期承载力均有明显下降,且钢筋混凝土框架的极限位移随着梁端配筋率的提高而减小。随着梁端配筋率的增加,GFRP筋混凝土框架、BFRP筋混凝土框架及钢筋混凝土框架的承载力都有明显提高,且FRP筋混凝土框架在加载后期承载力提升幅度较高。
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