爆炸荷载作用下FRP加固钢筋混凝土柱动态响应精细化分析及损伤评估方法研究

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采用纤维增强复合材料(FRP)加固钢筋混凝土柱,可以显著地提高其在爆炸荷载作用下的受剪承载力、受弯承载力及延性,防止其发生破坏,进而降低建筑结构发生连续倒塌的概率。本文系统开展了爆炸荷载作用下FRP加固钢筋混凝土柱动态响应精细化分析及损伤评估方法的研究。首先,针对现有有限元方法无法准确模拟爆炸荷载作用下FRP加固钢筋混凝土柱动态响应的问题,开展了FRP材料和FRP-混凝土界面动态力学性能以及混凝土材料本构关系模型研究,建立了能够准确可靠地模拟爆炸荷载作用下FRP加固钢筋混凝土柱动态响应的精细化有限元模型;其次,针对目前缺乏简单易用且准确可靠的FRP加固钢筋混凝土柱损伤评估模型的问题,通过了大量的数值模拟,并利用遗传算法优化神经网络建立了用于FRP加固钢筋混凝土柱损伤评估的剩余轴向承载力预测模型;最后,针对爆炸荷载及钢筋混凝土柱的材料和尺寸等参数的变异性会引起FRP加固钢筋混凝土柱动态响应及损伤程度不确定性的问题,提出了基于性能的FRP加固钢筋混凝土柱爆炸易损性分析方法,分析了典型未加固及FRP加固钢筋混凝土柱的损伤概率。本文主要研究工作和创新成果概括如下:(1)研究了常用FRP材料的动态力学性能。对碳纤维增强复合材料(CFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)以及玻璃纤维增强复合材料(GFRP)三种纤维复合材料进行了高速拉伸试验,研究了其在不同应变率下的动态力学性能。结果表明,三种FRP材料的弹性模量、抗拉强度以及断裂应变都随应变率的增加而增大,具有显著的应变率效应;BFRP和GFRP的应变率效应相较于CFRP更为显著。进一步拟合了用于预测不同应变率下FRP力学性能动态增大系数的经验公式。(2)研究了FRP-混凝土界面的动态力学性能。对FRP-混凝土界面单剪试件进行了高速拉伸试验,研究了不同滑移速率下粘结界面的动态力学性能。结果表明,界面剥离承载力、最大粘结应力及相应的滑移量均随滑移速率的增加而增大,而有效粘结长度则基本不受滑移速率的影响。进一步拟合了用于预测不同滑移速率下界面剥离承载力、最大粘结应力及相应的滑移量的经验公式,并进一步建立了考虑滑移速率的FRP-混凝土界面动态粘结-滑移本构关系模型。(3)建立了能够准确可靠地模拟爆炸荷载作用下FRP加固钢筋混凝土柱的精细化有限元模型。基于已有的混凝土单轴和围压作用下混凝土材料力学性能的试验数据,对常用混凝土本构关系KCC模型的强度面、强化及软化准则、流动法则等参数进行了修正,并考虑FRP应变率效应以及FRP-混凝土界面动态粘结滑移关系,建立了用于模拟爆炸荷载作用下FRP加固钢筋混凝土柱动态响应的精细化有限元模型。对现有爆炸试验进行了模拟,数值模拟结果与试验结果吻合良好。(4)建立了可以准确地预测爆炸荷载作用下FRP加固钢筋混凝土柱剩余轴向承载力的遗传算法优化神经网络模型。通过对9000多根未加固和FRP加固钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动态响应模拟,研究了柱的尺寸、配箍率、纵筋配筋率、轴压比、混凝土强度、爆炸荷载等参数对其动态响应的影响。基于数值模拟结果,建立了基于遗传算法优化的神经网络预测模型。将上述参数作为输入变量,利用该模型可以准确地预测爆炸荷载作用后钢筋混凝土柱的剩余轴向承载力。同时,建立了另外一个预测模型,采用爆炸荷载作用后柱中残余位移替代爆炸荷载作为该模型的输入参数,同样可以准确地预测爆炸荷载作用后钢筋混凝土柱的剩余轴向承载力。仅通过测量爆炸后柱中残余位移,利用该模型可以快速预测爆炸荷载作用后FRP加固钢筋混凝土柱的剩余轴向承载力。(5)提出了利用神经网络预测模型的FRP加固钢筋混凝土柱基于性能的爆炸易损性分析方法。首先,定义了爆炸烈度、钢筋混凝土柱抗爆性能水平和性能目标。然后,考虑爆炸荷载的不确定性以及钢筋混凝土柱的材料和几何不确定性,利用所建立的神经网络预测模型进行Monte Carlo模拟,计算钢筋混凝土柱样本在特定爆炸荷载作用后的损伤程度,并统计其不同损伤等级概率分布,进而可以得出特定损伤等级下的易损性曲线。以典型钢筋混凝土柱和FRP加固钢筋混凝土柱为例,采用以上方法建立了其易损性曲线,对其损伤概率进行了分析。
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