PVC-FRP管鋼筋混凝土柱抗震性能研究

為發(fā)揮現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化組合與新型結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新，本項目開展PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的抗震性能研究。本項目的研究將為大型橋梁與城市高架橋的橋墩等提供新的結(jié)構(gòu)體系等提供新的結(jié)構(gòu)體系。 本項目以PVC-FRP管鋼筋混凝土柱為研究對象，重點(diǎn)考慮FRP條帶環(huán)箍間距、配筋率、配箍率、軸壓比、剪跨比等因素對其抗震性能的影響，提出PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的相關(guān)計算方法。（1）開展豎向荷載作用下PVC-FRP管鋼筋混凝土柱力學(xué)性能研究，提出PVC-FRP鋼筋混凝土柱承載力、變形、荷載-位移關(guān)系、彎矩-曲率關(guān)系曲線的計算方法，建立偏壓荷載作用下PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型。（2）開展低周反復(fù)荷載作用下PVC-FRP管混凝土柱抗彎性能試驗(yàn)研究，深入研究PVC-FRP管鋼筋混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能與破壞機(jī)理，系統(tǒng)分析試驗(yàn)各因素對試件承載力、變形、滯回耗能以及抗震性能的影響.（3）開展低周反復(fù)荷載作用下PVC-FRP管鋼筋混凝土柱抗剪性能試驗(yàn)研究，分析各因素對PVC-FRP管鋼筋混凝土柱抗剪性能與抗震性能的影響，研究PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的破壞形態(tài)、抗剪機(jī)理、承載力、應(yīng)變、延性和滯回曲線；（4）提出PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的抗彎承載力、抗剪承載力、延性系數(shù)和軸壓比限值的計算方法，建立PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的恢復(fù)力模型。 2100433B

本項目立足于多種結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化組合與新型結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新，對PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的抗震性能進(jìn)行研究。采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，深入研究PVC-FRP管鋼筋混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能與破壞機(jī)理，系統(tǒng)分析FRP種類、FRP條帶方向與環(huán)箍間距、配筋率與配箍率、軸壓比、剪跨比、混凝土強(qiáng)度等因素對構(gòu)件承載力、變形、滯回耗能以及抗震性能的影響，提出PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的抗彎承載力、抗剪承載力、延性系數(shù)和軸壓比限值的計算方法，建立PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的恢復(fù)力模型；開展PVC與FRP粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究，揭示PVC與FRP的粘結(jié)破壞規(guī)律，提出PVC 與FRP有效粘結(jié)長度和極限粘結(jié)強(qiáng)度的計算方法。本項目研究將為大型橋梁與城市高架橋橋墩等提供新的結(jié)構(gòu)體系，對提高大型土木工程結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性具有重要的實(shí)際意義，同時對結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的發(fā)展也有非常重要的科學(xué)意義。

鋼管約束鋼筋混凝土柱具有承載力高、抗震性能好、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑與大跨空間結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用。目前國內(nèi)外尚無關(guān)于方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能的研究，更無設(shè)計規(guī)范或規(guī)程可供參考。因受力特點(diǎn)不同，方鋼管約束鋼筋混凝土柱不能套用鋼筋混凝土柱或鋼管混凝土柱的抗火研究成果。因此對方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能開展了試驗(yàn)研究與理論分析，并提出了相應(yīng)的抗火設(shè)計方法。首先進(jìn)行了方鋼管約束鋼筋混凝土柱足尺明火試驗(yàn)，實(shí)測了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下構(gòu)件截面關(guān)鍵測點(diǎn)溫度、軸向變形、柱頂轉(zhuǎn)角、側(cè)向變形、耐火極限和破壞模式，獲得了荷載比和偏心距對火災(zāi)下構(gòu)件變形和耐火極限的影響規(guī)律。建立了方鋼管約束鋼筋混凝土柱溫度場和耐火極限的有限元分析模型，分析了荷載比、截面尺寸、偏心率等參數(shù)對溫度場和耐火極限的影響規(guī)律，提出了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下鋼管、鋼筋與混凝土溫度的計算方法與耐火極限的計算方法。實(shí)際結(jié)構(gòu)中受火柱受到相鄰構(gòu)件的約束，受力機(jī)理和抗火性能與單體構(gòu)件顯著不同，因此分析了端部軸向約束與轉(zhuǎn)動約束作用對構(gòu)件抗火性能的影響。獲得了軸向約束剛度比和轉(zhuǎn)動約束剛度比對構(gòu)件耐火極限的影響規(guī)律，提出了火災(zāi)下構(gòu)件計算長度計算公式，以及考慮端部約束的方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火設(shè)計方法。本項目揭示了火災(zāi)下方鋼管約束鋼筋混凝土柱的工作機(jī)理，建立了方鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗火設(shè)計方法，為該類構(gòu)件的防火設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)一步完善了鋼管約束鋼筋混凝土柱的設(shè)計理論。 2100433B

鋼管約束鋼筋混凝土柱具有承載力高、抗震性能好、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑與大跨空間結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。目前國內(nèi)外尚無關(guān)于方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能的研究，更無設(shè)計規(guī)范或規(guī)程可供參考。因受力特點(diǎn)不同，方鋼管約束鋼筋混凝土柱不能套用鋼筋混凝土柱或鋼管混凝土柱的抗火研究成果。因此，應(yīng)對其抗火性能展開研究。此外，相關(guān)研究表明，實(shí)際結(jié)構(gòu)中受火柱受到相鄰構(gòu)件的約束，受力機(jī)理和抗火性能與單體構(gòu)件顯著不同，有必要考慮端部約束作用。為此，本項目將以方鋼管約束鋼筋混凝土柱為研究對象，采用試驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方式，重點(diǎn)研究火災(zāi)下無端部約束構(gòu)件的溫度、變形與耐火極限，并提出抗火設(shè)計方法；在此基礎(chǔ)上，引入端部約束作用，分析其對火災(zāi)下方鋼管約束鋼筋混凝土柱受力機(jī)理與耐火極限的影響，提出可考慮端部約束作用的抗火設(shè)計建議。本項目的研究成果將進(jìn)一步完善鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗火設(shè)計理論，促進(jìn)該類構(gòu)件的應(yīng)用與發(fā)展。

本項目基于海底盾構(gòu)隧道特點(diǎn)，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)以及振動臺模型試驗(yàn)等手段，開展海底盾構(gòu)隧道全壽命抗震性能研究。通過反應(yīng)位移法建立海底盾構(gòu)隧道單/雙層襯砌橫向分析模型，對比分析單、雙層襯砌在不同水平地震作用下隧道內(nèi)力的分布情況和變形規(guī)律,計算表明管片變形、彎矩、軸力呈反對稱分布在結(jié)構(gòu)兩側(cè)，相同地震動水平時雙層襯砌地震附加總內(nèi)力值高于單層襯砌；建立復(fù)合式/疊合式雙層襯砌三維實(shí)體數(shù)值模型，開展地震作用下管片結(jié)構(gòu)與二次襯砌內(nèi)力及位移的分布特征分析，相同工況下，復(fù)合式襯砌管片的軸力、彎矩和二襯的彎矩均大于疊合式襯砌，復(fù)合式二襯的軸力小于疊合式二襯軸力；根據(jù)相似理論開展單、雙層襯砌模型地震響應(yīng)振動臺試驗(yàn)，研究地震作用下單、雙層襯砌盾構(gòu)隧道跨越軟硬突變地層的縱向動力響應(yīng)特征，結(jié)果顯示：軟硬突變地層加速度響應(yīng)頻譜表現(xiàn)出與均勻地層顯著不同的“雙峰值”現(xiàn)象，管片縱向應(yīng)變峰值包絡(luò)線出現(xiàn)明顯的“三峰值”，結(jié)構(gòu)應(yīng)變受地層影響的區(qū)域分布于地層交界面兩側(cè)2.5-3.5倍隧道直徑范圍；建立海底盾構(gòu)隧道不同服役齡期地震響應(yīng)分析模型，導(dǎo)入不同荷載水平下，隨著氯離子侵蝕時間增長隧道結(jié)構(gòu)劣化的本構(gòu)模型，采用動力時程法分析隧道結(jié)構(gòu)劣化抗震性能，以隧道直徑變形率作為圓形盾構(gòu)隧道的性能量化指標(biāo)，提出了適用于圓形盾構(gòu)隧道各性能水平的量化指標(biāo)；開展隔震材料室內(nèi)試驗(yàn)，瀝青系隔震層能夠有效降低襯砌拉、壓應(yīng)力及變形量，隔震層厚度分別為5cm、15cm及30cm時，對應(yīng)減震率為46.3%、50.4%和58.2%；采用數(shù)值模擬及振動臺試驗(yàn)，對海底盾構(gòu)隧道交叉結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)特性進(jìn)行研究，采用剛性連接時，主隧道縱向受影響范圍約為3倍橫通道寬度，柔性連接可降低結(jié)構(gòu)各處的應(yīng)變和內(nèi)力，降低影響范圍至1.5-2倍。研究成果可為海底盾構(gòu)隧道的設(shè)計和施工提供重要參考，為今后大量海底盾構(gòu)隧道全壽命周期的健康服役提供理論和技術(shù)支撐。 2100433B