FRP格栅/喷射ECC增强震损混凝土墩柱的约束机理与恢复力模型研究

This program, involving the composite material science, mechanics and engineering structure, belongs to a basic subject of engineering application. Aiming at the problems of quickly repairing and strengthening for the earthquake-damaged concrete piers, a new strengthened technique, overcoming the disadvantages of externally bonded FRP technique, such as aging of epoxy resin and poor resistances of high temperature and fire, is developed to promote the anti-seismic property as well as the restorability of strengthened concrete pier. In this technique, two different types of new materials, i.e. fiber reinforced polymer (FRP) grid and sprayed engineered cementitious composite (ECC) having high ductility, are combined into a composited reinforcement layer externally wrapped the damaged concrete pier. The research works of this program focus on the confined mechanism, stress-strain relationships of core concrete under the unidirectional and multiple axial compression loads and the restoring model of strengthened concrete pier. Moreover, the failure mode and energy dissipation capacity of strengthened pier under the combined actions of axial compression and low frequency cyclic loads need to be clarified. Furthermore, the residual deformation and the restorability of strengthened pier must be understood significantly. The aseismic design method for strengthened pier will be established based on the performances of strength and deformation and a new and alternative way will be provided for the seismic repairing and strengthening of the defective structures.

本项目交叉融合了复合材料学、力学及结构工程学，属于应用研究的基础前沿学科。针对桥梁震损混凝土墩柱的快速修复与加固问题，考虑混凝土墩柱的不同损伤状态，提出将FRP格栅与喷射ECC相结合的复合加固技术。该项技术通过使用喷射ECC和FRP格栅替代受损混凝土和钢筋，达到“快速修复”与“抗震性能提高”的双重效果。同时，喷射ECC作为粘结材料克服了外贴FRP加固技术中界面粘结剂易于老化，耐高温、耐火性不足等缺点。项目将提升震损混凝土墩柱的抗震性能和可恢复性作为增强目标，重点研究FRP格栅/喷射ECC包裹震损混凝土墩柱的约束机理、单向和多重受压荷载作用下核心混凝土受压本构关系及加固混凝土墩柱的恢复力模型，澄清在轴向力与低周反复荷载作用下加固混凝土墩柱的破坏模式和耗能性能，明晰加固混凝土墩柱的残余变形和可恢复特性，建立加固混凝土墩柱基于强度和变形的抗震设计方法，为结构的抗震修复加固提供一个新的可选途径。

在国家自然科学基金委的资助下，针对震损混凝土墩柱的修复与功能提升，采用FRP格栅/喷射ECC复合增强技术，开展了相关的基础研究工作，主要成果如下：.1.ECC 的研制及其应用技术研究.（1）采用不同纤维种类、不同纤维掺量、不同水泥基配合比制作了ECC试件，进行了四点弯曲、直接拉伸、立方体抗压强度试验和跳桌试验。（2）研究了水胶比、水泥粉煤灰比和砂胶比对于ECC喷射施工效果的影响；考察了喷射ECC回弹损失率、顺畅度、平整度等基本喷射性能指标。（3）考虑了每种加固方法的实际使用寿命，提出了全寿命周期加固费用的概念。.2.FRP格栅增强ECC复合约束混凝土墩柱轴向受压力学性能.（1）制备了171个FRP格栅增强ECC复合加固层约束混凝土圆柱试件，126个FRP格栅增强ECC复合加固层约束混凝土方柱试件，明晰了复合加固层约束混凝土短柱在轴向压力及反复荷载作用下的破坏模式、应力-应变本构关系及极限承载力。（2）FRP格栅增强ECC复合加固层可以有效地约束核心混凝土，极限承载力得到较大的提高。（3）反复荷载变形曲线的外包络线与单调荷载情况下基本相同，复合加固层在反复荷载情况下仍能持续有效地给予核心混凝土提供环向约束能力。.3.FRP格栅增强喷射ECC复合加固震损钢筋混凝土墩柱试验.（1）制作了9个FRP格栅增强喷射ECC复合加固有初始损伤的钢筋混凝土墩柱试件，研究了无损伤、微小损伤、中等损伤、严重损伤四种状态下加固后的钢筋混凝土墩柱抗震性能。（2）通过改变水泥基体中的纤维分散性进一步增加了ECC的延性，对加固钢筋混凝土墩柱的强度和延性有一定幅度的提高。.4.退化路径影响下的钢筋混凝土墩柱震损分析.（1）利用图解法对Park-Ang损伤模型的建立机理进行了分析，构建了考虑退化影响的双参数损伤模型。（2）考虑恢复力和刚度退化对破坏上限值的影响，对Park-Ang损伤模型进行了改进，并建立了考虑回复力和刚度退化的双参数损伤预测模型。.项目研究历时4年（2016.1.1-2019.12.31），共获得研究成果24项，其中文章14篇，SCI收录5篇，EI收录6篇，授权国家发明专利8项，获得省部级科技进步一等奖1项，三等奖1项，培养博士研究生3名，硕士研究生2名。