无粘结预应力FRP板增强RC框架抗倒塌性能及设计方法研究

Reinforced concrete (RC) frames can be subjected to the accidental extreme loads. In case of the occurrence of failure of the load-carrying columns, their adjacent beams need to activate the catenary action to sustain the large deformation and to achieve the redistribution of internal forces, thus eventually preventing progressive collapse. For the existing RC frames previously designed without consideration of progressive collapse, there are certain problems, such as discontinuous reinforcement and unreliable anchorage at the joint, which brings about the difficulty for the effective development of catenary action of beams. .In previous work, a method using unbonded fiber reinforced polymer (FRP) plates severing as catenary to retrofit RC frames was therefore proposed to mitigate collapse. The effectiveness of this method was tentatively verified through collapse tests. Based on this work, this project tries to further investigate the collapse performance of RC frames retrofitted with unbonded prestressed FRP plates by using collapse test, finite element modelling, theoretical analysis, and other methods. The prestressing level of unbonded FRP plates is taken into significant consideration. The specific content is as follows: 1) revealing the cooperative working mechanism between FRP plates and RC frame substructures to resist collapse; 2) investigating the failure mechanism of the whole RC frames retrofitted with unbonded prestressed FRP plates; 3) establishing the calculation model of collapse resistance of RC frames retrofitted with unbonded prestressed FRP plates and proposing the performance-based design method for preventing collapse. The research results would have a reference value for the strengthening design of RC frames to mitigate collapse and be of great significance in the theory study and engineering application.

在极端荷载作用下，当钢筋混凝土(RC)框架关键构件(如柱)失效并引起结构发生大变形时，结构需要通过周边框架梁形成悬链线效应来实现内力重分布，从而避免结构发生倒塌。对于早期未进行抗倒塌设计的RC框架，节点处梁纵筋不连续和锚固不可靠等问题会影响悬链线效应的发挥。申请人前期研究提出采用无粘结纤维增强复合(FRP)板作为悬链机构增强RC框架的抗倒塌加固方法，初步验证了该方法的有效性。本项目基于前期研究工作，拟采用试验、有限元和理论分析等方法对无粘结预应力FRP板增强RC框架抗倒塌性能进行更深入的研究，并重点考察FRP板预应力对加固效果的影响。主要内容包括：1)揭示FRP板与RC框架子结构抗倒塌协同工作机理；2)研究FRP板增强RC框架整体结构的倒塌破坏机理；3)建立FRP板增强RC框架抗倒塌承载力的计算模型，并提出基于性能的抗倒塌设计方法。本项目成果可为RC框架结构抗倒塌的加固设计提供参考。

建筑结构在遭遇炸弹袭击、汽车撞击、地震或其它极端灾害时，可能会导致局部承重构件的突然失效或破坏，继而引发大范围甚至整体性的连续倒塌，严重危及人员和财产安全。为了防止钢筋混凝土(RC)框架结构在柱或节点失效后发生倒塌，采用合适的技术措施来加强结构的整体性、弥补结构在大变形情况下抗倒塌能力的不足，其重要性不言而喻。. 鉴于此，本项目采用模拟试验、数值仿真及理论分析相结合的方法，对高性能纤维增强复合材料(FRP)的锚固系统及其增强构件、结构的倒塌防控技术进行研究，从FRP增强构件与FRP增强结构两个层次出发，主要内容包括：1）框架柱冲击失效前FRP增强RC框架构件的动态力学响应及损伤机理；2）框架柱冲击失效后FRP增强RC框架结构的抗倒塌性能及加固设计方法。. 主要研究成果包括：1）在构件层次，揭示了FRP环向包裹加固RC梁、柱的冲击剪切失效机理，提出了评估FRP增强RC构件冲击剪切损伤程度的定量指标，建立了损伤指标与冲击需求的关系模型；基于现行规范，提出了FRP环向包裹控制RC梁、柱冲击剪切损伤的加固方法；2）在结构层次，设计研发了一种中部顶升张拉预应力的无粘结FRP板的加固装置，可实现防止结构连续倒塌的无粘结加固；建立了混凝土框架梁柱子结构及无粘结FRP板增强子结构和平面框架整体结构的精细化有限元模型；分析了无粘结FRP板“悬索”机构的抗力机制；揭示了无粘结FRP板“悬索”抗力机制与梁柱框架结构的协同工作机理；建立了RC框架结构与无粘结FRP板“悬索”抗力机制的抗倒塌承载力的简化计算模型，可根据小变形和大变形阶段的抗倒塌需求来设计无粘结FRP板的材料参数、布置位置、倾斜角度及初始间隙距离，可为无粘结FRP板“悬索”机构的抗倒塌加固设计方法提供指导。. 本项目成果有助于提升RC框架结构在极端荷载引起底层关键柱失效后的抗倒塌性能，为框架结构抗倒塌加固设计奠定基础，也可为防止连续倒塌的加固措施提供参考。.