低速冲击作用下FRP环向围束加固层的力学行为与设计对策研究

Under the low-velocity impact actions far below those considered by traditional design methods, externally bonded fiber-reinforced polymer (FRP) systems for concrete structures might suffer severe damages，which could result in obviously decrease or even totally lost in their strengthening effect. To the potential safety hazard of strengthened structures, there is neither a quantitative understanding nor a theoretical model for properly predicting and evaluating. By taking the circumferential FRP wrappings used for improving the compression behavior of concrete columns as the research objects, the impact performance of externally bonded FRP systems will be studied in this subject. FRP wrappings have a high opportunity of suffering transverse low-velocity impact. Firstly, the working conditions of different retrofitted structures are re-examined to choose typical impact scenarios and quantify the related influencing factors. Secondly, the effect of different influencing factors on the impact damages of FRP wrappings is studied systematically. A quantitative relationship between the impact damages and residual tensile strength of FRP wrappings is also built. On this basis, a theoretical model is developed to explain the actual contact condition and damage mechanism of FRP wrappings by introducing the function of concrete substrate originally. Finally, a classification method of low-velocity impact scenarios is put forward to simplify the calculations in related engineering design. The design method and suggestions built in this subject would fill the gap in the current design methodology for the externally bonded FRP systems used to strengthening concrete structures.

在混凝土结构常规设计可忽略的低速冲击作用下，外贴加固混凝土结构的纤维增强复合材料（FRP）就会发生严重损伤，导致加固作用的降低乃至丧失。对于外贴FRP加固技术本身的这一安全隐患，目前缺乏量化认识，也没有理论模型进行预测和评估。本项目从易受撞击且失效后果严重的受压加固柱的FRP环向围束着手，对外贴FRP加固层的受冲击性能展开研究。首先，重新审视各类加固结构的工作条件，以确定环向围束受低速冲击的典型工况及关键影响因素的量化范围。进而通过系统性试验，以明确各因素对环向围束冲击损伤的影响程度，并建立冲击损伤程度与FRP剩余受拉强度之间的量化关系。在此基础上，在环向围束受冲击的接触受力模型和损伤机理的构建中，创新性地引入混凝土基底的作用，以揭示环向围束在冲击作用下的实际力学行为。最终通过建立环向围束受低速冲击的设计分类方法与判据，以简化设计计算。提出的设计对策是现行外贴FRP加固设计理论的有益补充。

在增强既有钢筋混凝土柱受压性能方面，基于被动约束的外贴纤维增强复合材料（FRP）环向围束已成为普遍使用的加固技术。本项目针对低速冲击下FRP环向围束的安全隐患进行了系统性研究，获得的新的认识和主要成果包括：（1）基于154件试件的试验结果，建立了不同因素对FRP环向围束加固柱冲击损伤影响的量化规律，并揭示了不同因素的影响效果之间的显著差异；（2）低速冲击下FRP环向围束加固柱可能发生多种模式的冲击损伤，且可分为连续型和阈值型两类；而FRP环向围束断裂开始时基底混凝土的参与程度受应力波传播情况的显著影响；（3）不同于当前设计概念，当FRP环向围束的冲击损伤控制在一定范围内时，不仅FRP环向围束冲击断裂高度范围的被加固柱的混凝土会受到其外侧完整的FRP环向围束基于拱作用的间接约束，而且冲击断裂FRP环向围束的未剥离部分对基底混凝土仍有一定的增强作用；（4）结合显式和隐式两种有限元仿真分析方法发展了从冲击接触模拟到冲击损伤柱剩余承载力计算的显式-隐式顺序求解技术；该方面工作也为实现土木工程领域其他低速冲击问题的仿真分析提供了可借鉴的方案；（5）因存在混凝土基底，FRP环向围束的冲击反应显著复杂于传统的四边夹持FRP层合板情况；本研究在对撞锤-FRP环向围束接触界面的力学行为量化分析的基础上，提出了FRP环向围束冲击损伤的形成与发展机制；（6）针对不同典型工况分组，建立了FRP环向围束冲击损伤的预测模型，并建立了冲击作用与FRP环向围束剩余加固效率之间的解析关系；进而结合不同外附层防护效果的量化对比，提出了FRP环向围束的受冲击设计对策。上述成果形成了对低速冲击下FRP环向围束安全隐患的规律性认识，并为现行外贴FRP加固技术标准的完善提供了定量的科学依据，在实现可持续发展方面具有突出的工程意义和应用前景。