FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗設(shè)計與抗震性能的深度剖析一、緒論1.1研究背景與意義在土木工程領(lǐng)域，混凝土結(jié)構(gòu)由于其成本低、可塑性強、耐久性好等優(yōu)點，成為應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一。而在混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋作為主要的受力增強材料，承擔著重要的作用。然而，傳統(tǒng)鋼筋存在一些固有的缺陷，其中最突出的問題是鋼筋的銹蝕。在混凝土保護層厚度過小、澆筑不密實、混凝土碳化、空氣相對濕度較大等條件下，腐蝕介質(zhì)（如氯化物、硫化物、酸堿等）容易入侵，導致鋼筋表面鈍化膜被破壞，從而發(fā)生銹蝕。據(jù)統(tǒng)計，歐洲每年因鋼筋銹蝕造成的損失達30億美元，鋼筋銹蝕不僅會降低鋼筋的力學性能，還會導致混凝土結(jié)構(gòu)的開裂、剝落，嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，帶來巨大的經(jīng)濟損失。為解決混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的問題，20世紀80年代以來，研究者開始利用纖維增強復合筋（FRP筋）替代鋼筋作為受力筋。FRP筋是由高性能纖維和基體材料組成的復合材料，其中纖維為增強材料，起加勁作用，基材起粘結(jié)、傳遞剪力的作用。常見的纖維種類有玻璃纖維（GlassFiber）、碳纖維（CarbonFiber）、芳綸纖維(AramidFiber)和混雜纖維(HybridFiber)等，基材主要包括聚酯、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯、聚酯樹脂、聚酰胺樹脂等。根據(jù)連續(xù)纖維種類的不同，常用的FRP筋主要有玻璃纖維增強塑料筋（GFRP筋）、碳纖維增強塑料筋（CFRP筋）、芳綸纖維增強塑料筋（AFRP筋）和混雜纖維增強塑料筋（HFRP筋）。與普通鋼筋相比，F(xiàn)RP筋具有眾多獨特的工程特性。其密度僅為普通鋼筋的1/6-1/4，但剛度約為普通鋼筋的6倍，比強度較高，這使得在同等受力情況下，使用FRP筋可以大大減輕結(jié)構(gòu)自重，例如在橋梁工程中，使用FRP筋作為結(jié)構(gòu)材料能夠顯著提高橋梁的跨越能力，理論上，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料橋梁的極限跨度在5000m以內(nèi)，而上部結(jié)構(gòu)使用FRP筋的橋梁可達8000m以上。FRP筋的抗拉強度約為400MPa-3000MPa，遠高于普通鋼筋，能有效提升結(jié)構(gòu)的承載能力。FRP筋還具有優(yōu)異的抗疲勞性能和電磁絕緣性，不會像鋼筋那樣因銹蝕而破壞，適合在腐蝕環(huán)境中工作，可顯著提高結(jié)構(gòu)的耐久性，降低后期維修成本，在化工建筑、鹽漬地區(qū)的地下工程、海洋工程和水下工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著全球地震活動的頻繁發(fā)生，地震災(zāi)害給人類生命和財產(chǎn)帶來了巨大損失?？蚣芙Y(jié)構(gòu)作為常見的建筑結(jié)構(gòu)形式，其抗震性能直接關(guān)系到建筑物在地震中的安全。FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)，在抗震性能方面具有一些獨特的優(yōu)勢。例如，F(xiàn)RP筋的輕質(zhì)特性可以減小結(jié)構(gòu)自重，從而降低地震作用的影響；其良好的耐腐蝕性能夠保證結(jié)構(gòu)在長期使用過程中抗震性能不下降。然而，F(xiàn)RP筋也存在均勻性差、彈性模量低、破壞時呈脆性等缺點，這些特性對FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生了復雜的影響，使得該結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計與應(yīng)用方面面臨諸多挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)外對于FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究雖然取得了一定成果，但仍存在許多不足之處。例如，在粘結(jié)性能方面，F(xiàn)RP筋與混凝土之間的粘結(jié)機理尚未完全明確，粘結(jié)強度的影響因素復雜，現(xiàn)有研究成果在實際工程應(yīng)用中的可靠性和準確性有待提高；在抗震性能方面，雖然已開展了一些試驗研究和理論分析，但對于該結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞模式、耗能機制、抗震設(shè)計方法等方面的認識還不夠深入，缺乏完善的抗震設(shè)計理論和方法體系。因此，深入開展FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗設(shè)計及抗震性能分析具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。通過本研究，一方面可以進一步揭示FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)機理，明確粘結(jié)強度的影響因素，為提高FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和可靠性提供理論依據(jù)；另一方面，通過振動臺試驗，能夠深入了解FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學性能和破壞特征，建立合理的抗震設(shè)計方法和理論模型，為該結(jié)構(gòu)在地震區(qū)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持，從而有效提高建筑物的抗震能力，保障人民生命和財產(chǎn)安全，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。1.2FRP筋概述1.2.1種類及生產(chǎn)工藝FRP筋種類多樣，主要依據(jù)增強纖維的類別來劃分，常見的有玻璃纖維增強塑料筋（GFRP筋）、碳纖維增強塑料筋（CFRP筋）、芳綸纖維增強塑料筋（AFRP筋）以及混雜纖維增強塑料筋（HFRP筋）等。GFRP筋以玻璃纖維為增強材料，玻璃纖維具有良好的化學穩(wěn)定性和較高的拉伸強度。生產(chǎn)GFRP筋時，首先將玻璃纖維束浸漬在樹脂基體中，常用的樹脂有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等，這些樹脂起到粘結(jié)和傳遞應(yīng)力的作用。隨后，通過拉擠成型工藝，在一定的牽引力作用下，使浸膠后的玻璃纖維束通過具有特定截面形狀的模具，在模具中樹脂固化，從而形成連續(xù)的、具有一定形狀和尺寸的GFRP筋。拉擠成型工藝能夠?qū)崿F(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，且可充分發(fā)揮玻璃纖維的連續(xù)性和定向強度高的優(yōu)勢。CFRP筋則是以碳纖維作為增強纖維，碳纖維具有高強度、高模量的特性。其生產(chǎn)工藝同樣包括纖維浸漬和成型兩個主要步驟。在浸漬過程中，將碳纖維束均勻地浸漬在高性能樹脂基體中，以確保碳纖維與樹脂之間有良好的粘結(jié)。成型階段除了拉擠成型工藝外，還可采用纏繞成型等工藝。纏繞成型是將浸膠后的碳纖維束按照一定的規(guī)律纏繞在芯模上，然后經(jīng)過固化處理得到CFRP筋，這種工藝常用于制造一些對強度和剛度要求較高的特殊結(jié)構(gòu)件。AFRP筋采用芳綸纖維作為增強體，芳綸纖維具有優(yōu)異的抗沖擊性能和較高的拉伸強度。生產(chǎn)AFRP筋時，也是先將芳綸纖維與樹脂基體充分混合，再通過拉擠、模壓等成型方法制成。由于芳綸纖維的特殊性能，AFRP筋在一些對抗沖擊性能要求較高的工程領(lǐng)域，如軍事防護、抗震結(jié)構(gòu)等方面具有潛在的應(yīng)用價值。HFRP筋是由兩種或兩種以上不同類型的纖維混合增強的塑料筋。例如，將玻璃纖維和碳纖維混合使用，可綜合兩者的優(yōu)點，使HFRP筋既具有玻璃纖維的低成本和良好的加工性能，又具有碳纖維的高強度和高模量。其生產(chǎn)工藝相對復雜，需要精確控制不同纖維的比例和分布，以達到預期的性能要求。通常是先將不同的纖維分別進行預處理，然后按照一定比例混合，再與樹脂基體結(jié)合，最后通過合適的成型工藝制成HFRP筋。1.2.2性能特點與傳統(tǒng)鋼筋相比，F(xiàn)RP筋具有一系列顯著的性能特點：輕質(zhì)高強：FRP筋的密度僅為普通鋼筋的1/6-1/4，例如GFRP筋的密度約為1.8-2.1g/cm3，而普通鋼筋的密度約為7.85g/cm3。同時，F(xiàn)RP筋的抗拉強度卻相當可觀，一般在400MPa-3000MPa之間，遠高于普通鋼筋的屈服強度（通常為235MPa-400MPa）。以CFRP筋為例，其抗拉強度可達2000MPa以上，這使得在承受相同拉力的情況下，使用FRP筋可以大幅減輕結(jié)構(gòu)自重，在大跨度橋梁、高層建筑等對結(jié)構(gòu)自重有嚴格要求的工程中具有重要應(yīng)用價值。例如，在橋梁工程中，使用FRP筋作為結(jié)構(gòu)材料能夠顯著提高橋梁的跨越能力，理論上，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料橋梁的極限跨度在5000m以內(nèi)，而上部結(jié)構(gòu)使用FRP筋的橋梁可達8000m以上。耐腐蝕：FRP筋由纖維和樹脂組成，不含金屬成分，不會像鋼筋那樣在潮濕環(huán)境、酸堿介質(zhì)等作用下發(fā)生銹蝕。在海洋工程、化工建筑等惡劣腐蝕環(huán)境中，F(xiàn)RP筋的耐腐蝕性能優(yōu)勢尤為突出。例如，在海洋環(huán)境中，海水含有大量的鹽分和腐蝕性物質(zhì)，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性會受到嚴重影響，而使用FRP筋的混凝土結(jié)構(gòu)能夠有效抵抗海水的侵蝕，大大延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，降低維護成本。電磁絕緣：FRP筋具有良好的電磁絕緣性能，無磁感應(yīng)。這一特性使其在一些對電磁環(huán)境有特殊要求的場所，如醫(yī)院的核磁共振室、電子設(shè)備生產(chǎn)車間、通信基站等得到廣泛應(yīng)用。在這些場所，使用FRP筋可以避免因鋼筋的導電性和磁性對精密儀器設(shè)備產(chǎn)生干擾，保證設(shè)備的正常運行。熱膨脹系數(shù)與混凝土相近：FRP筋的熱膨脹系數(shù)一般為（6-10）×10??/℃，與混凝土的熱膨脹系數(shù)（7.2-10）×10??/℃相近。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，F(xiàn)RP筋與混凝土之間不會產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力，從而保證兩者能夠協(xié)同工作，有效避免因溫度變形差異導致的粘結(jié)破壞，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。可設(shè)計性強：通過調(diào)整纖維種類、纖維含量、鋪層方向以及樹脂基體的類型等，可以根據(jù)工程需求設(shè)計出具有不同力學性能和特殊功能的FRP筋。例如，對于需要承受較大拉力的結(jié)構(gòu)部位，可以增加纖維含量或選擇高強度纖維來提高FRP筋的抗拉強度；對于對抗沖擊性能有要求的結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整纖維的鋪層方式來增強其抗沖擊能力。然而，F(xiàn)RP筋也存在一些缺點。例如，其彈性模量相對較低，一般為普通鋼筋的1/3-1/10，這導致使用FRP筋的結(jié)構(gòu)在受力時變形較大。此外，F(xiàn)RP筋在破壞時通常呈脆性破壞，沒有明顯的屈服階段，破壞前變形較小，缺乏足夠的預兆，這對結(jié)構(gòu)的安全性評估和設(shè)計提出了更高的要求。1.3FRP筋的研究發(fā)展及土木工程應(yīng)用1.3.1國內(nèi)外研究進展20世紀60年代，F(xiàn)RP筋開始進入研究者的視野，最初主要應(yīng)用于航空航天等對材料性能要求極高的領(lǐng)域。隨著材料科學技術(shù)的不斷進步，到了80年代，F(xiàn)RP筋因其獨特的性能優(yōu)勢，逐漸被引入土木工程領(lǐng)域，用于解決鋼筋銹蝕導致的結(jié)構(gòu)耐久性問題。在國外，美國、日本、加拿大、歐洲等國家和地區(qū)對FRP筋開展了大量的研究工作。美國是最早開展FRP筋研究與應(yīng)用的國家之一，早在1984年，美國就將GFRP筋應(yīng)用于佛羅里達州的一座橋梁修復工程中。此后，美國對FRP筋的力學性能、粘結(jié)性能、耐久性等方面進行了深入研究，建立了較為完善的設(shè)計規(guī)范和標準，如美國混凝土學會（ACI）頒布的ACI440.1R-15《纖維增強聚合物筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工指南》。日本在FRP筋的研究和應(yīng)用方面也處于世界領(lǐng)先水平，1997年，日本建成了世界上第一座采用CFRP筋作為預應(yīng)力筋的飛翔橋。日本學者對FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能、疲勞性能等進行了系統(tǒng)研究，提出了一些新的設(shè)計理念和方法。歐洲各國也積極開展FRP筋的研究與應(yīng)用，例如，丹麥的Herning斜拉橋是迄今為止全部采用CFRP斜拉索已建成的最長的橋梁，歐洲規(guī)范（EN1992-1-1）也對FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計做出了相關(guān)規(guī)定。國內(nèi)對FRP筋的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。20世紀90年代，國內(nèi)一些高校和科研機構(gòu)開始關(guān)注FRP筋，并開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作。哈爾濱工業(yè)大學、東南大學、同濟大學等高校在FRP筋的力學性能、粘結(jié)性能、結(jié)構(gòu)性能等方面取得了一系列研究成果。例如，哈爾濱工業(yè)大學對FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能進行了深入研究，分析了粘結(jié)強度的影響因素，建立了粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系模型；東南大學對FRP筋混凝土梁的受彎性能進行了試驗研究和理論分析，提出了適用于FRP筋混凝土梁的抗彎承載力計算方法。近年來，隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，F(xiàn)RP筋在實際工程中的應(yīng)用也逐漸增多，如廣州的丫髻沙大橋、上海的盧浦大橋等在建造過程中都采用了FRP筋或FRP制品。當前，F(xiàn)RP筋的研究熱點主要集中在以下幾個方面：一是FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能研究，旨在進一步明確粘結(jié)機理，提高粘結(jié)強度和可靠性；二是FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能研究，包括結(jié)構(gòu)的破壞模式、耗能機制、抗震設(shè)計方法等；三是FRP筋的耐久性研究，探究其在不同環(huán)境條件下的性能退化規(guī)律，建立耐久性評估模型；四是新型FRP筋的研發(fā)，如混雜纖維增強塑料筋（HFRP筋）、智能FRP筋等，以滿足不同工程需求。然而，F(xiàn)RP筋的研究仍存在一些難點。例如，F(xiàn)RP筋的材料性能離散性較大，導致其力學性能的穩(wěn)定性和可重復性較差，給結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析帶來困難；FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論和方法尚不完善，缺乏統(tǒng)一的設(shè)計標準和規(guī)范，不同設(shè)計方法之間的差異較大，影響了該結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用；此外，F(xiàn)RP筋的生產(chǎn)成本較高，限制了其在大規(guī)模工程中的應(yīng)用。1.3.2土木工程應(yīng)用實例橋梁工程：美國的DELDOT1-351橋是由美國州政府擁有的第一座全復合材料橋，由兩塊長975m、寬7.9m、厚0.76m的復合材料橋面板組成，每塊重6350kg，質(zhì)量僅為水泥橋面的1/10。該橋依據(jù)美國國家高速公路和運輸者協(xié)會（AASHTO）的技術(shù)條件設(shè)計，并在美國德勒華大學經(jīng)過全面測試，其建成為今后橋梁設(shè)計和維修以及在結(jié)構(gòu)上采用復合材料奠定了基礎(chǔ)。加拿大的Joffre橋是世界上第一座在CFRP格柵筋加固中引入嵌入式傳感器的橋梁，該橋由一個5跨的上部結(jié)構(gòu)組成，橋面板使用CFRPNEFMAC格柵筋進行加固，部分CFRP格柵筋在生產(chǎn)過程中放置了結(jié)構(gòu)一體化的纖維光學感應(yīng)器，通過廣泛安裝的纖維光學傳感器、振動式電阻絲應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變計，可對該橋進行連續(xù)遙測，以檢驗這種材料在延長橋梁有效使用壽命上的效率。在國內(nèi)，廣州的丫髻沙大橋在建造過程中采用了CFRP筋作為預應(yīng)力筋，有效提高了結(jié)構(gòu)的耐久性和承載能力。這些應(yīng)用實例表明，在橋梁工程中使用FRP筋，不僅可以減輕橋梁自重，提高跨越能力，還能增強結(jié)構(gòu)的耐久性，降低維護成本。建筑工程：位于沙特阿拉伯的阿卜杜勒阿齊茲國王世界文化中心，其復雜的建筑造型對材料的性能和可加工性提出了極高要求。FRP筋因其輕質(zhì)高強、可設(shè)計性強等特點被應(yīng)用于該建筑結(jié)構(gòu)中。通過優(yōu)化設(shè)計，F(xiàn)RP筋與混凝土協(xié)同工作，不僅滿足了建筑結(jié)構(gòu)的力學性能要求，還實現(xiàn)了獨特的建筑外觀效果。在一些對電磁環(huán)境有嚴格要求的建筑，如醫(yī)院的核磁共振室、電子設(shè)備生產(chǎn)車間等，使用FRP筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋，避免了鋼筋對精密儀器設(shè)備的電磁干擾，保證了設(shè)備的正常運行。此外，在一些腐蝕性環(huán)境中的建筑，如化工廠廠房、沿海地區(qū)建筑等，F(xiàn)RP筋的耐腐蝕性能優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，延長了建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命。水工結(jié)構(gòu)：在海洋工程中，結(jié)構(gòu)防腐是一個關(guān)鍵問題。例如，某大型海上石油平臺的混凝土基礎(chǔ)部分采用了GFRP筋。由于海洋環(huán)境中海水的強腐蝕性，傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性難以保證。而GFRP筋能夠有效抵抗海水的侵蝕，大大提高了海上石油平臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的耐久性。此外，在一些水利水電工程中的水壩、渡槽等水工結(jié)構(gòu)中，也開始應(yīng)用FRP筋。水壩長期受到水的浸泡和沖刷，對結(jié)構(gòu)材料的耐久性要求很高。FRP筋的應(yīng)用可以有效解決鋼筋銹蝕問題，提高水壩結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。渡槽在輸送水流過程中，同樣面臨著腐蝕和沖刷等問題，使用FRP筋可以增強渡槽結(jié)構(gòu)的耐久性，保障水利工程的正常運行。從經(jīng)濟效益方面來看，雖然FRP筋的初始成本相對較高，但其優(yōu)異的耐久性可以大大降低結(jié)構(gòu)的后期維護成本。以橋梁工程為例，使用FRP筋的橋梁在其使用壽命周期內(nèi)，維護費用可降低約30%-50%。在建筑工程中，對于一些腐蝕性環(huán)境中的建筑，采用FRP筋可避免因鋼筋銹蝕導致的結(jié)構(gòu)維修和更換費用，從長期來看，具有顯著的經(jīng)濟效益。在水工結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP筋的應(yīng)用可以減少因結(jié)構(gòu)損壞而導致的工程停產(chǎn)和修復費用，保障工程的持續(xù)運行，帶來巨大的間接經(jīng)濟效益。1.4FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀1.4.1粘結(jié)性能研究FRP筋與混凝土之間良好的粘結(jié)性能是確保FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)共同工作的關(guān)鍵，二者的粘結(jié)性能直接影響結(jié)構(gòu)的力學性能和耐久性。眾多研究表明，影響FRP筋與混凝土粘結(jié)強度的因素是多方面的。從FRP筋自身特性來看，筋材的表面形態(tài)對粘結(jié)強度有著顯著影響。例如，表面帶肋的FRP筋，其肋的形狀、尺寸和間距等參數(shù)會改變與混凝土之間的機械咬合作用。研究發(fā)現(xiàn)，肋高較大、肋間距適中的FRP筋，能提供更大的粘結(jié)力。哈爾濱工業(yè)大學的研究團隊通過對不同表面形態(tài)的GFRP筋進行拔出試驗，發(fā)現(xiàn)螺紋狀表面的GFRP筋與混凝土的粘結(jié)強度比光滑表面的高出30%-50%。筋材的彈性模量也會影響粘結(jié)性能，彈性模量較低的FRP筋在受力時變形較大，可能導致與混凝土之間的粘結(jié)界面提前破壞?；炷恋男阅芡瑯硬蝗莺鲆??；炷恋膹姸鹊燃壴礁撸渑cFRP筋之間的粘結(jié)強度通常也越高。因為高強度混凝土具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)，能與FRP筋更好地相互嵌固。清華大學的相關(guān)試驗研究表明，當混凝土強度等級從C20提高到C40時，F(xiàn)RP筋與混凝土的粘結(jié)強度提高了約20%-30%。此外，混凝土的配合比，如水泥用量、骨料種類和粒徑等，也會對粘結(jié)性能產(chǎn)生影響。粘結(jié)長度也是影響粘結(jié)強度的重要因素。一般來說，隨著粘結(jié)長度的增加，粘結(jié)強度會逐漸降低。這是因為在粘結(jié)長度較長時，粘結(jié)應(yīng)力沿筋長的分布不均勻性更加明顯，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致粘結(jié)失效。當粘結(jié)長度超過一定值后，粘結(jié)強度基本不再增加，存在一個有效粘結(jié)長度。有研究通過試驗確定了在特定條件下，F(xiàn)RP筋與混凝土的有效粘結(jié)長度約為筋材直徑的20-30倍。在試驗研究方面，拔出試驗是最常用的方法之一。通過對埋入混凝土中的FRP筋施加拔出力，測量拔出荷載與筋材滑移之間的關(guān)系，從而分析粘結(jié)性能。此外，梁式試驗也被廣泛應(yīng)用，該試驗通過對FRP筋混凝土梁進行彎曲加載，觀察裂縫開展、鋼筋滑移等現(xiàn)象，研究粘結(jié)性能對結(jié)構(gòu)整體性能的影響。在理論模型研究方面，已有學者提出了多種粘結(jié)滑移本構(gòu)模型。例如，基于試驗數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，能夠較好地描述特定試驗條件下FRP筋與混凝土的粘結(jié)滑移關(guān)系，但通用性較差。還有基于力學原理建立的理論模型，如考慮粘結(jié)界面的剪應(yīng)力分布、變形協(xié)調(diào)等因素，能夠更深入地揭示粘結(jié)機理，但模型參數(shù)的確定較為復雜。盡管目前在FRP筋與混凝土粘結(jié)性能研究方面取得了一定成果，但仍存在一些問題有待進一步研究。例如，在復雜環(huán)境條件下，如高溫、潮濕、凍融循環(huán)等，粘結(jié)性能的退化規(guī)律尚不明確；不同類型FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能差異較大，如何建立統(tǒng)一的粘結(jié)性能評價體系還需要深入探討。1.4.2梁、柱及框架節(jié)點研究梁的研究現(xiàn)狀：FRP筋混凝土梁的受力性能研究一直是該領(lǐng)域的重點。眾多試驗研究表明，F(xiàn)RP筋混凝土梁在受彎過程中，其受力性能與普通鋼筋混凝土梁存在一定差異。由于FRP筋的彈性模量較低，F(xiàn)RP筋混凝土梁在相同荷載作用下的變形比普通鋼筋混凝土梁更大。在受彎破壞時，F(xiàn)RP筋混凝土梁往往呈現(xiàn)出脆性破壞特征，缺乏明顯的屈服階段，這是因為FRP筋在達到極限抗拉強度后迅速斷裂，導致梁的承載能力急劇下降。清華大學通過對CFRP筋混凝土梁的受彎試驗研究發(fā)現(xiàn)，在正常使用階段，CFRP筋混凝土梁的撓度比同條件下的鋼筋混凝土梁大20%-40%。在設(shè)計方法方面，現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范大多是在普通鋼筋混凝土梁設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，考慮FRP筋的特性進行修正。但由于FRP筋的材料性能離散性較大，且與混凝土之間的粘結(jié)性能也存在不確定性，使得現(xiàn)有的設(shè)計方法在準確性和可靠性方面還有待提高。一些學者提出了基于試驗數(shù)據(jù)和理論分析的設(shè)計方法，如考慮FRP筋與混凝土的協(xié)同工作效應(yīng)、粘結(jié)滑移對結(jié)構(gòu)性能的影響等，但這些方法尚未得到廣泛應(yīng)用。柱的研究現(xiàn)狀：對于FRP筋混凝土柱，其受壓性能和抗震性能是研究的關(guān)鍵。在受壓性能方面，由于FRP筋的抗壓強度相對較低，且彈性模量也低于普通鋼筋，導致FRP筋混凝土柱的抗壓承載能力和變形能力與普通鋼筋混凝土柱有所不同。研究表明，在軸心受壓情況下，F(xiàn)RP筋混凝土柱的極限壓應(yīng)變較小，容易發(fā)生脆性破壞。為了改善FRP筋混凝土柱的受壓性能，一些研究采用了纖維約束混凝土的方法，即在柱的外部包裹纖維增強復合材料（FRP）布，通過FRP布的約束作用提高混凝土的抗壓強度和變形能力。同濟大學的研究團隊通過試驗驗證了這種方法的有效性，結(jié)果表明，采用FRP布約束后的FRP筋混凝土柱，其軸心抗壓強度提高了15%-30%，極限壓應(yīng)變也有明顯增加。在抗震性能方面，F(xiàn)RP筋混凝土柱的延性相對較差，這是制約其在地震區(qū)應(yīng)用的主要因素之一。為了提高FRP筋混凝土柱的抗震性能，研究人員提出了多種改進措施，如采用混合配筋方式（即同時使用FRP筋和普通鋼筋）、優(yōu)化柱的截面形式和配筋構(gòu)造等。研究發(fā)現(xiàn)，混合配筋柱的抗震性能明顯優(yōu)于純FRP筋柱，在地震作用下能夠更好地耗能和變形?？蚣芄?jié)點的研究現(xiàn)狀：FRP筋混凝土框架節(jié)點是連接梁和柱的關(guān)鍵部位，其受力性能直接影響框架結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能。由于FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能不同于普通鋼筋，使得FRP筋混凝土框架節(jié)點的受力機理更為復雜。在試驗研究中，通過對FRP筋混凝土框架節(jié)點進行低周反復加載試驗，發(fā)現(xiàn)節(jié)點的破壞模式主要包括節(jié)點核心區(qū)混凝土的剪切破壞、FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)破壞以及FRP筋的斷裂破壞等。這些破壞模式往往相互影響，導致節(jié)點的抗震性能下降。東南大學對GFRP筋混凝土框架節(jié)點進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)點核心區(qū)的抗剪能力較弱，容易在低周反復荷載作用下發(fā)生剪切破壞，從而影響整個框架結(jié)構(gòu)的承載能力。在設(shè)計方法方面，目前對于FRP筋混凝土框架節(jié)點的設(shè)計還缺乏完善的理論和方法。現(xiàn)有的設(shè)計方法大多是參考普通鋼筋混凝土框架節(jié)點的設(shè)計規(guī)范，并結(jié)合FRP筋的特點進行適當調(diào)整。但由于FRP筋混凝土框架節(jié)點的受力性能與普通鋼筋混凝土框架節(jié)點存在較大差異，這種設(shè)計方法的合理性和安全性還有待進一步驗證。一些學者針對FRP筋混凝土框架節(jié)點的受力特點，提出了基于試驗研究和理論分析的設(shè)計建議，如增加節(jié)點核心區(qū)的箍筋配置、采用特殊的錨固措施等，以提高節(jié)點的抗震性能。1.5研究內(nèi)容與方法1.5.1研究內(nèi)容FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗設(shè)計：根據(jù)試驗?zāi)康暮鸵螅O(shè)計并制作FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ?。確定模型的幾何尺寸、配筋率、混凝土強度等級等參數(shù)，選擇合適的FRP筋類型。制定詳細的試驗加載方案，包括加載設(shè)備的選擇、加載制度的確定等。采用合適的傳感器布置方案，對試驗過程中的加速度、位移、應(yīng)變等物理量進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集?？拐鹦阅芊治觯簩φ駝优_試驗結(jié)果進行深入分析，研究FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞模式、變形特性、耗能能力等抗震性能指標。分析不同參數(shù)（如FRP筋類型、配筋率、混凝土強度等級等）對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律。通過與普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進行對比，明確FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和不足。數(shù)值模擬：利用有限元軟件建立FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，對振動臺試驗進行數(shù)值模擬。通過與試驗結(jié)果的對比，驗證數(shù)值模型的準確性和可靠性。利用驗證后的數(shù)值模型，進一步研究結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的響應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)的薄弱部位和抗震性能的變化規(guī)律。開展參數(shù)分析，探討不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考?？拐鹪O(shè)計方法探討：基于試驗研究和數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合相關(guān)規(guī)范和理論，探討FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法。提出適合該結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計指標和設(shè)計參數(shù)，如抗震等級、地震作用計算方法、構(gòu)件設(shè)計方法等。建立考慮FRP筋特性的抗震設(shè)計理論和方法體系，為該結(jié)構(gòu)在實際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。1.5.2研究方法試驗研究：通過振動臺試驗，直接獲取FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學響應(yīng)和破壞特征。在試驗過程中，嚴格控制試驗條件，確保試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。對試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，總結(jié)結(jié)構(gòu)的抗震性能規(guī)律，為理論分析和數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬：運用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型。在建模過程中，合理選擇材料本構(gòu)模型、單元類型和接觸算法，準確模擬結(jié)構(gòu)的力學行為。通過數(shù)值模擬，可以對不同工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行分析，彌補試驗研究的局限性，深入探討結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞機理。理論分析：根據(jù)試驗結(jié)果和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，運用材料力學、結(jié)構(gòu)力學、混凝土結(jié)構(gòu)基本理論等知識，對FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進行理論分析。建立結(jié)構(gòu)的力學模型，推導相關(guān)計算公式，分析結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形特征。結(jié)合抗震設(shè)計規(guī)范和相關(guān)理論，探討適合該結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法和理論體系。對比分析：將FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能與普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行對比分析。從破壞模式、變形能力、耗能能力、承載能力等方面進行比較，明確FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的特點和優(yōu)勢。通過對比分析，為FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用提供參考依據(jù)，促進該結(jié)構(gòu)在工程實踐中的推廣應(yīng)用。二、FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型設(shè)計2.1原型結(jié)構(gòu)概況本研究的原型結(jié)構(gòu)為一座典型的多層FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)商業(yè)建筑，位于抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)。該建筑地上5層，地下1層，建筑總高度為20m。其結(jié)構(gòu)形式采用常規(guī)的框架結(jié)構(gòu)體系，以滿足商業(yè)空間大跨度、靈活布局的需求。在水平荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)主要依靠梁、柱構(gòu)件的抗彎、抗剪能力來抵抗水平力，通過節(jié)點的有效連接，使結(jié)構(gòu)形成一個整體協(xié)同工作體系。原型結(jié)構(gòu)的平面呈矩形，長為30m，寬為20m，柱網(wǎng)尺寸為6m×5m。這樣的柱網(wǎng)布置既考慮了商業(yè)空間的使用要求，保證了較大的無柱空間，便于商業(yè)布局和貨物擺放；又兼顧了結(jié)構(gòu)受力的合理性，使框架梁、柱的受力較為均勻，避免出現(xiàn)過大的內(nèi)力集中現(xiàn)象。在豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，柱截面尺寸根據(jù)樓層高度和受力大小進行變化。底層柱承受的豎向荷載和水平荷載較大，其截面尺寸設(shè)計為600mm×600mm；隨著樓層的升高，荷載逐漸減小，二至五層柱的截面尺寸依次減小為550mm×550mm、500mm×500mm、450mm×450mm、400mm×400mm。這種變截面設(shè)計既滿足了結(jié)構(gòu)的承載能力要求，又在一定程度上節(jié)省了材料，減輕了結(jié)構(gòu)自重。梁的截面尺寸統(tǒng)一設(shè)計為300mm×600mm，以保證框架結(jié)構(gòu)在水平和豎向荷載作用下的整體受力性能，確保梁能夠有效地傳遞荷載，并與柱協(xié)同工作。原型結(jié)構(gòu)采用的混凝土強度等級為C40。C40混凝土具有較高的抗壓強度和良好的耐久性，能夠滿足該商業(yè)建筑在正常使用年限內(nèi)的結(jié)構(gòu)性能要求?；炷恋目箟簭姸葮藴手禐?6.8MPa，軸心抗壓強度設(shè)計值為19.1MPa，軸心抗拉強度設(shè)計值為1.71MPa。這些強度指標為結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析提供了重要依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)在各種荷載組合下的安全性和可靠性。原型結(jié)構(gòu)選用的FRP筋為CFRP筋，其抗拉強度標準值為2500MPa，彈性模量為160GPa。CFRP筋具有高強度、高彈性模量、耐腐蝕等優(yōu)異性能，非常適合應(yīng)用于對結(jié)構(gòu)耐久性和承載能力要求較高的商業(yè)建筑中。與傳統(tǒng)鋼筋相比，CFRP筋的輕質(zhì)高強特性可以有效減輕結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。同時，其良好的耐腐蝕性能能夠保證結(jié)構(gòu)在長期使用過程中不受環(huán)境侵蝕的影響，降低維護成本。在框架結(jié)構(gòu)中，CFRP筋主要用于梁、柱的縱向受力筋和箍筋，通過合理的配筋設(shè)計，充分發(fā)揮其力學性能優(yōu)勢，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。2.2模型設(shè)計原則與相似關(guān)系2.2.1設(shè)計原則相似性原則：模型與原型在幾何形狀、材料性能、荷載分布及邊界條件等方面應(yīng)保持相似。幾何相似要求模型各部分尺寸與原型對應(yīng)尺寸成比例，通過合理確定幾何相似比，確保模型在形狀上與原型一致，從而使模型在受力時的應(yīng)力分布和變形模式與原型相似。材料相似則需保證模型材料與原型材料在力學性能上的相似性，如彈性模量、泊松比、強度等參數(shù)的比例關(guān)系與原型一致。對于本研究中的FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，模型中使用的FRP筋和混凝土應(yīng)與原型結(jié)構(gòu)中的材料性能相似，以準確反映原型結(jié)構(gòu)的力學行為。荷載相似要求模型所受荷載與原型荷載的分布規(guī)律和大小比例一致。在振動臺試驗中，通過調(diào)整加載設(shè)備的輸出，使模型所受的地震作用與原型在實際地震中的受力相似。邊界條件相似是指模型的約束條件應(yīng)與原型相同，如在試驗中對模型基礎(chǔ)的固定方式應(yīng)模擬原型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的實際約束情況，以保證模型在受力時的邊界條件與原型一致?？刹僮餍栽瓌t：模型的設(shè)計應(yīng)便于制作、安裝、測試和加載。在制作方面，應(yīng)選擇易于加工的材料和合理的制作工藝，確保模型的精度和質(zhì)量。例如，對于FRP筋的加工，應(yīng)采用合適的成型工藝，保證其尺寸精度和力學性能。安裝過程應(yīng)簡單易行，避免復雜的操作步驟，以減少試驗誤差。在測試方面，應(yīng)合理布置傳感器，便于測量結(jié)構(gòu)的加速度、位移、應(yīng)變等物理量。同時，傳感器的安裝應(yīng)不影響模型的受力性能。加載系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定可靠，易于控制，能夠按照預定的加載制度對模型進行加載。例如，振動臺的控制精度和穩(wěn)定性直接影響試驗結(jié)果的準確性，應(yīng)選擇性能優(yōu)良的振動臺設(shè)備。經(jīng)濟性原則：在滿足試驗要求的前提下，盡量降低試驗成本。選擇材料時，應(yīng)綜合考慮材料性能和價格，在保證模型性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選擇價格較低的材料。例如，在選擇混凝土時，可以通過優(yōu)化配合比，在滿足強度要求的前提下，降低水泥等材料的用量，從而降低成本。在試驗設(shè)備的選擇上，應(yīng)充分利用現(xiàn)有的設(shè)備資源，避免不必要的設(shè)備購置。如果實驗室已有合適的振動臺設(shè)備，應(yīng)合理利用，而不是盲目購買新設(shè)備。此外，還應(yīng)合理安排試驗計劃，減少試驗次數(shù)，提高試驗效率，降低試驗成本?？煽啃栽瓌t：模型應(yīng)具有足夠的強度和剛度，在試驗過程中能夠可靠地承受各種荷載作用，確保試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。在設(shè)計模型時，應(yīng)進行詳細的力學分析，合理確定模型的尺寸和配筋，保證模型在試驗荷載作用下不會發(fā)生過大的變形或破壞。對于FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)考慮FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，確保兩者能夠協(xié)同工作。同時，對模型的制作質(zhì)量應(yīng)進行嚴格控制，保證材料的性能符合要求，制作工藝符合標準。在試驗過程中，應(yīng)實時監(jiān)測模型的工作狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時采取措施，確保試驗的順利進行。2.2.2相似常數(shù)確定根據(jù)相似理論，模型與原型之間的相似常數(shù)包括幾何相似常數(shù)（S_{l}）、材料彈性模量相似常數(shù)（S_{E}）、材料密度相似常數(shù)（S_{\rho}）、荷載相似常數(shù)（S_{F}）、加速度相似常數(shù)（S_{a}）、時間相似常數(shù)（S_{t}）等。這些相似常數(shù)之間存在一定的關(guān)系，通過合理確定這些相似常數(shù)，可以保證模型試驗的有效性。幾何相似常數(shù)：幾何相似常數(shù)是模型與原型對應(yīng)尺寸的比值，本試驗選取幾何相似比為1:5。即S_{l}=\frac{l_{m}}{l_{p}}=\frac{1}{5}，其中l(wèi)_{m}為模型尺寸，l_{p}為原型尺寸。這樣的幾何相似比既能保證模型在試驗設(shè)備上的可操作性，又能較好地反映原型結(jié)構(gòu)的幾何特征。通過該相似比，可確定模型中梁、柱的截面尺寸和長度等參數(shù)。例如，原型結(jié)構(gòu)中梁的截面尺寸為300mm×600mm，長度為6000mm，則模型中梁的截面尺寸為60mm×120mm，長度為1200mm。材料彈性模量相似常數(shù)：對于FRP筋和混凝土，分別確定其彈性模量相似常數(shù)。由于模型和原型使用相同類型的FRP筋和混凝土，在材料性能相似的情況下，材料彈性模量相似常數(shù)S_{E}=1。這意味著模型中FRP筋和混凝土的彈性模量與原型中對應(yīng)材料的彈性模量比值為1，從而保證模型和原型在受力時的變形特性相似。材料密度相似常數(shù)：材料密度相似常數(shù)S_{\rho}主要考慮模型和原型材料密度的比例關(guān)系。在本試驗中，模型和原型使用的FRP筋和混凝土材料密度基本相同，因此材料密度相似常數(shù)S_{\rho}=1。這確保了模型和原型在重力作用下的力學行為相似。荷載相似常數(shù)：荷載相似常數(shù)與幾何相似常數(shù)、材料彈性模量相似常數(shù)和加速度相似常數(shù)有關(guān)。根據(jù)相似理論，荷載相似常數(shù)S_{F}=S_{E}S_{l}^{2}。由于S_{E}=1，S_{l}=\frac{1}{5}，則S_{F}=1\times(\frac{1}{5})^{2}=\frac{1}{25}。在振動臺試驗中，通過調(diào)整加載設(shè)備的輸出力，使其與原型結(jié)構(gòu)所受荷載按照S_{F}的比例關(guān)系施加到模型上，以模擬原型結(jié)構(gòu)在實際荷載作用下的受力情況。加速度相似常數(shù)：加速度相似常數(shù)S_{a}根據(jù)試驗要求和振動臺的性能確定。在本試驗中，為了模擬原型結(jié)構(gòu)在8度抗震設(shè)防烈度下的地震響應(yīng)，選取加速度相似常數(shù)S_{a}=1。這意味著模型在振動臺上所受的加速度與原型結(jié)構(gòu)在實際地震中的加速度相同，從而更真實地反映原型結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學性能。時間相似常數(shù)：時間相似常數(shù)S_{t}與幾何相似常數(shù)和加速度相似常數(shù)有關(guān)，根據(jù)相似理論，S_{t}=\sqrt{\frac{S_{l}}{S_{a}}}。由于S_{l}=\frac{1}{5}，S_{a}=1，則S_{t}=\sqrt{\frac{1}{5}}=\frac{1}{\sqrt{5}}。在試驗過程中，加載時間應(yīng)按照時間相似常數(shù)進行調(diào)整，以保證模型在試驗中的受力歷程與原型結(jié)構(gòu)在實際地震中的受力歷程相似。2.3模型材料選擇與設(shè)計計算2.3.1材料選擇在本試驗中，F(xiàn)RP筋選用CFRP筋，主要基于以下考慮。CFRP筋具有高強度、高彈性模量的特點，其抗拉強度標準值可達2500MPa，彈性模量為160GPa，能夠滿足結(jié)構(gòu)在正常使用和地震作用下的受力要求。在抗震性能方面，CFRP筋的輕質(zhì)特性可以減小結(jié)構(gòu)自重，從而降低地震作用的影響，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。同時，CFRP筋良好的耐腐蝕性能夠保證結(jié)構(gòu)在長期使用過程中抗震性能不下降，適用于本試驗中模擬的地震區(qū)建筑結(jié)構(gòu)。此外，CFRP筋的熱膨脹系數(shù)與混凝土相近，為（6-10）×10??/℃，與混凝土的（7.2-10）×10??/℃相近，在溫度變化時，兩者之間不會產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力，有利于保證結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性?；炷吝x用C30等級。C30混凝土具有適中的強度和良好的工作性能，其抗壓強度標準值為20.1MPa，軸心抗壓強度設(shè)計值為14.3MPa，軸心抗拉強度設(shè)計值為1.43MPa，能夠滿足模型結(jié)構(gòu)在試驗過程中的承載能力要求。在模型制作過程中，C30混凝土的和易性較好，便于澆筑和振搗，能夠保證混凝土的密實度和均勻性，從而確保模型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。同時，C30混凝土的成本相對較低，符合經(jīng)濟性原則，在滿足試驗要求的前提下，可有效降低試驗成本。2.3.2設(shè)計計算構(gòu)件尺寸確定：根據(jù)幾何相似比1:5，由原型結(jié)構(gòu)中梁、柱的尺寸計算得到模型中梁的截面尺寸為60mm×120mm，長度為1200mm；柱的截面尺寸為100mm×100mm，底層柱高度為1000mm，二至四層柱高度均為800mm。這樣的尺寸設(shè)計既保證了模型在振動臺上的可操作性，又能較好地反映原型結(jié)構(gòu)的受力特性。在確定構(gòu)件尺寸時，還考慮了模型制作的工藝要求和材料的性能特點。例如，梁、柱的截面尺寸不宜過小，以避免在制作過程中出現(xiàn)混凝土澆筑不密實、FRP筋錨固困難等問題。同時，也要保證構(gòu)件尺寸在滿足相似關(guān)系的前提下，能夠承受試驗過程中的各種荷載作用。配筋計算：根據(jù)原型結(jié)構(gòu)的配筋率和相似關(guān)系，計算模型中FRP筋的配筋量。在配筋計算過程中，充分考慮了FRP筋的力學性能特點，如抗拉強度、彈性模量等。由于FRP筋的彈性模量較低，在相同荷載作用下，其變形比普通鋼筋大，因此在配筋設(shè)計時，適當增加了FRP筋的用量，以保證結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力。以梁為例，原型結(jié)構(gòu)中梁的縱向受力筋配筋率為1.5%，根據(jù)相似關(guān)系計算得到模型中梁的縱向受力筋配筋率為1.2%。選用直徑為6mm的CFRP筋作為縱向受力筋，每根梁配置4根，以滿足結(jié)構(gòu)的受彎承載力要求。對于柱的配筋，同樣考慮了FRP筋的特性和結(jié)構(gòu)的受力要求。在柱的縱向配筋方面，為了提高柱的受壓承載能力和變形能力，適當增加了縱向受力筋的數(shù)量。選用直徑為8mm的CFRP筋作為柱的縱向受力筋，每根柱配置8根。在箍筋配置方面，為了保證柱在地震作用下的抗剪能力和延性，按照一定的間距配置直徑為4mm的CFRP箍筋。內(nèi)力分析：采用結(jié)構(gòu)力學和有限元分析方法，對模型結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的內(nèi)力進行計算。在進行內(nèi)力分析時，充分考慮了模型結(jié)構(gòu)的邊界條件和荷載分布情況。對于振動臺試驗，主要考慮地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)。通過有限元軟件建立模型結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，輸入地震波數(shù)據(jù)，模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力情況。根據(jù)內(nèi)力分析結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的最不利受力狀態(tài)，為構(gòu)件的設(shè)計和配筋提供依據(jù)。例如，在地震作用下，結(jié)構(gòu)的底層柱和梁端往往承受較大的彎矩和剪力，通過內(nèi)力分析確定了這些部位的內(nèi)力值，在設(shè)計時對這些部位進行了加強配筋，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。同時，還對結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的內(nèi)力進行了計算，確保結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的安全性。通過對結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的內(nèi)力分析，全面了解了結(jié)構(gòu)的受力特性，為模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計和試驗提供了重要的理論支持。2.4模型制作與施工2.4.1底座施工模型底座是整個試驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)，其施工質(zhì)量直接影響模型在振動臺試驗中的穩(wěn)定性和測試結(jié)果的準確性。在底座施工前，首先進行場地清理和平整，確保施工場地堅實、平整，無雜物和積水。根據(jù)模型設(shè)計要求，在施工場地準確放線，確定底座的位置和尺寸。本試驗?zāi)Ｐ偷鬃捎娩摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，以提供足夠的承載能力和穩(wěn)定性。在鋼筋綁扎過程中，嚴格按照設(shè)計圖紙要求，確定鋼筋的規(guī)格、間距和布置方式。為增強鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力，對鋼筋表面進行除銹和清理處理。使用直徑為12mm的HRB400鋼筋作為主筋，間距為150mm，形成鋼筋網(wǎng)片。在鋼筋網(wǎng)片的交叉點處，采用鐵絲進行綁扎固定，確保鋼筋位置準確，不發(fā)生位移。模板安裝采用優(yōu)質(zhì)木模板，木模板具有良好的加工性能和表面平整度，能夠滿足底座的尺寸精度要求。在模板安裝前，對模板進行清理和涂油處理，以方便脫模，并防止混凝土與模板粘連。按照底座的尺寸和形狀，將木模板拼接組裝，確保模板拼接嚴密，無漏漿現(xiàn)象。使用鋼管和扣件對模板進行支撐加固，保證模板在混凝土澆筑過程中不變形、不位移。在模板安裝完成后，對其尺寸、垂直度和平整度進行檢查驗收，確保符合設(shè)計要求?；炷翝仓捎肅35商品混凝土，C35混凝土具有較高的強度和良好的工作性能，能夠滿足底座的承載能力要求。在澆筑前，對混凝土的坍落度、和易性等性能指標進行檢驗，確保混凝土質(zhì)量符合要求。采用分層澆筑的方法，每層澆筑厚度控制在300-500mm，以保證混凝土澆筑的密實性。在澆筑過程中，使用插入式振搗棒對混凝土進行振搗，振搗點均勻布置，振搗時間以混凝土表面不再出現(xiàn)氣泡、泛漿為準。振搗過程中，避免振搗棒直接觸碰鋼筋和模板，防止鋼筋位移和模板損壞。混凝土澆筑完成后，及時進行養(yǎng)護。采用灑水養(yǎng)護的方式，保持混凝土表面濕潤，養(yǎng)護時間不少于7天。在養(yǎng)護期間，定期對混凝土的強度進行檢測，當混凝土強度達到設(shè)計強度的75%以上時，方可拆除模板。模板拆除時，注意保護混凝土表面和棱角，避免出現(xiàn)缺棱掉角等損傷。2.4.2模型主體施工模型主體結(jié)構(gòu)的施工是整個試驗?zāi)Ｐ椭谱鞯年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要嚴格控制施工質(zhì)量，確保模型的制作精度和力學性能。在FRP筋加工過程中，根據(jù)設(shè)計要求，使用專業(yè)的切割設(shè)備對CFRP筋進行下料，保證筋材的長度和直徑符合設(shè)計尺寸。由于CFRP筋質(zhì)地較脆，在切割和搬運過程中，采取輕拿輕放的措施，避免筋材受到損傷。為增強CFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)力，對筋材表面進行處理，如采用噴砂處理，使筋材表面粗糙，增加與混凝土的機械咬合力。鋼筋綁扎按照設(shè)計圖紙要求進行，確保FRP筋的布置位置、間距和數(shù)量準確無誤。在節(jié)點處，注意FRP筋的錨固長度和錨固方式，采用合適的錨固措施，如彎鉤錨固、機械錨固等，保證節(jié)點的連接強度。為保證鋼筋骨架的穩(wěn)定性，在鋼筋交叉點處使用鐵絲綁扎牢固，并設(shè)置足夠的支撐和定位措施。例如，在梁的鋼筋綁扎中，先在模板上畫出鋼筋的位置線，然后按照位置線將縱向受力筋和箍筋依次擺放并綁扎，確保鋼筋間距均勻，位置準確。在柱的鋼筋綁扎中，先將縱向受力筋插入基礎(chǔ)預留的插筋中，然后綁扎箍筋，箍筋的間距按照設(shè)計要求嚴格控制，在柱的底部和頂部加密箍筋，以提高柱的抗震性能。模板安裝采用與底座相同的木模板，模板的拼接和支撐方式也與底座類似。在模板安裝過程中，注意保證模板的垂直度和表面平整度，對模板的拼接縫進行密封處理，防止漏漿。在模板安裝完成后，再次對模型的尺寸進行復核，確保模型的幾何尺寸符合設(shè)計要求。例如，在安裝梁模板時，先安裝底模板，然后安裝側(cè)模板，底模板和側(cè)模板之間使用螺栓連接，確保連接牢固。在安裝柱模板時，先將柱模板在地面拼接好，然后整體吊裝到鋼筋骨架上，使用鋼管和扣件對柱模板進行支撐加固，保證柱模板的垂直度和穩(wěn)定性?；炷翝仓捎肅30商品混凝土，澆筑方法與底座混凝土澆筑類似。在澆筑過程中，特別注意避免混凝土對FRP筋造成沖擊和損傷。由于FRP筋的彈性模量較低，在混凝土澆筑過程中，使用振搗棒振搗時，振搗點與FRP筋保持一定距離，避免振搗棒直接觸碰FRP筋。對于節(jié)點等鋼筋密集部位，加強振搗，確?；炷翝仓軐崱Ｔ诨炷翝仓瓿珊?，對模型表面進行抹面處理，使其表面平整、光滑。例如，在梁混凝土澆筑時，從梁的一端開始，逐漸向另一端推進，分層澆筑，每層厚度控制在300mm左右。在柱混凝土澆筑時，從柱的底部開始，分層澆筑，每層厚度控制在400mm左右，在澆筑過程中，使用橡皮錘輕輕敲擊模板，以排除混凝土中的氣泡，保證混凝土的密實性。在模型主體施工過程中，加強質(zhì)量控制和檢驗。每完成一道工序，都進行嚴格的質(zhì)量檢查，如鋼筋綁扎完成后，檢查鋼筋的規(guī)格、間距、錨固長度等是否符合設(shè)計要求；模板安裝完成后，檢查模板的尺寸、垂直度、平整度等是否符合標準。在混凝土澆筑過程中，對混凝土的坍落度、和易性等性能指標進行實時監(jiān)測，確?；炷临|(zhì)量穩(wěn)定。對模型的外觀進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)并處理施工過程中出現(xiàn)的缺陷和問題，如蜂窩、麻面、孔洞等。例如，在鋼筋綁扎質(zhì)量檢查中，使用卡尺測量鋼筋的直徑和間距，使用鋼尺測量鋼筋的錨固長度，確保鋼筋的各項參數(shù)符合設(shè)計要求。在模板安裝質(zhì)量檢查中，使用靠尺和塞尺檢查模板的平整度和垂直度，使用鋼尺測量模板的尺寸，確保模板的各項指標符合標準。在混凝土澆筑過程中，每車混凝土都進行坍落度檢測，保證混凝土的坍落度在設(shè)計要求的范圍內(nèi)。在混凝土澆筑完成后，對模型的外觀進行檢查，發(fā)現(xiàn)蜂窩、麻面等缺陷時，及時進行修補，使用相同配合比的混凝土對缺陷部位進行填補，然后進行抹面處理，使其表面平整。2.5模型結(jié)構(gòu)混凝土材性試驗2.5.1彈性模量測定在本試驗中，采用靜態(tài)加載法測定模型結(jié)構(gòu)混凝土的彈性模量。根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019），制作100mm×100mm×300mm的棱柱體混凝土試件6個。該標準試件尺寸能夠較為準確地反映混凝土在實際結(jié)構(gòu)中的受力性能，且便于試驗操作和數(shù)據(jù)測量。在試件制作過程中，嚴格控制混凝土的配合比、攪拌時間、振搗方式和養(yǎng)護條件，以保證試件質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性?；炷僚浜媳劝凑赵O(shè)計要求進行配制，水泥、砂、石、水的用量精確計量，攪拌時間控制在2-3min，確?；炷翑嚢杈鶆?。振搗采用插入式振搗棒，振搗時間以混凝土表面不再出現(xiàn)氣泡、泛漿為準。試件成型后，在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28天，養(yǎng)護溫度為（20±2）℃，相對濕度為95%以上。試驗加載裝置采用量程為3000kN的液壓萬能試驗機，該試驗機具有加載穩(wěn)定、精度高的特點，能夠滿足試驗要求。在試件兩端粘貼電阻應(yīng)變片，用于測量混凝土在加載過程中的縱向應(yīng)變。電阻應(yīng)變片的粘貼位置應(yīng)準確，且與試件表面緊密貼合，以保證測量結(jié)果的準確性。同時，在試件兩側(cè)安裝位移計，用于測量試件的縱向位移。位移計的精度為0.01mm，能夠滿足試驗測量精度要求。在試驗過程中，采用分級加載方式，初始荷載為0.5MPa，每級加載增量為1.0MPa，加載速度控制在0.3-0.5MPa/s。每級荷載加載后，持續(xù)穩(wěn)定1-2min，待應(yīng)變和位移測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。當荷載達到混凝土抗壓強度的40%左右時，停止加載。根據(jù)試驗測得的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中選取線性段，根據(jù)胡克定律E=\frac{\sigma}{\varepsilon}計算混凝土的彈性模量，其中E為彈性模量，\sigma為應(yīng)力，\varepsilon為應(yīng)變。對6個試件的彈性模量測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到模型結(jié)構(gòu)混凝土的彈性模量平均值為2.85\times10^{4}MPa，標準差為0.12\times10^{4}MPa。該彈性模量值與C30混凝土的理論彈性模量值相近，表明試驗結(jié)果較為可靠，能夠為模型分析提供準確的數(shù)據(jù)支持。通過對彈性模量試驗結(jié)果的分析，可知模型結(jié)構(gòu)混凝土的彈性模量滿足設(shè)計要求，能夠保證模型在試驗過程中的力學性能。同時，彈性模量的測試結(jié)果也為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了重要的材料參數(shù)，有助于提高數(shù)值模擬的準確性。2.5.2立方體抗壓強度測定為評估模型結(jié)構(gòu)混凝土的強度性能，依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019），制作100mm×100mm×100mm的立方體混凝土試件9個。試件制作過程同樣嚴格遵循標準要求，確?；炷僚浜媳葴蚀_、攪拌均勻、振搗密實和養(yǎng)護規(guī)范。配合比設(shè)計中，水泥選用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，其質(zhì)量穩(wěn)定，能夠為混凝土提供足夠的強度。砂采用中砂，含泥量控制在3%以內(nèi)，以保證混凝土的和易性和強度。石子選用粒徑為5-20mm的連續(xù)級配碎石，針片狀含量不超過15%，確?；炷恋拿軐嵭院蛷姸?。水采用飲用水，符合混凝土用水標準。攪拌過程中，先將水泥、砂、石干拌1min，再加入水攪拌2-3min。振搗采用平板振搗器，振搗時間為1-2min，使混凝土表面平整、泛漿。試件成型后，在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28天。試驗加載設(shè)備采用量程為2000kN的壓力試驗機，加載速度控制在0.5-0.8MPa/s。在加載過程中，密切觀察試件的變形和破壞情況。當試件出現(xiàn)明顯的裂縫或破壞跡象時，記錄此時的破壞荷載。根據(jù)破壞荷載，按照公式f_{cu}=\frac{F}{A}計算立方體抗壓強度，其中f_{cu}為立方體抗壓強度，F(xiàn)為破壞荷載，A為試件承壓面積。對9個試件的抗壓強度測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到立方體抗壓強度平均值為32.6MPa，標準差為1.8MPa。該結(jié)果表明，模型結(jié)構(gòu)混凝土的立方體抗壓強度達到了C30混凝土的設(shè)計強度要求，且強度離散性較小，材料質(zhì)量較為穩(wěn)定。立方體抗壓強度的測定結(jié)果驗證了混凝土材料的質(zhì)量，為模型結(jié)構(gòu)在試驗過程中的承載能力提供了保障。同時，該強度數(shù)據(jù)也為結(jié)構(gòu)的力學分析和設(shè)計提供了重要依據(jù)，有助于評估結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的安全性和可靠性。2.6相似系數(shù)復核在完成模型制作與混凝土材性試驗后，依據(jù)試驗所得材料性能數(shù)據(jù)，對模型與原型間的相似系數(shù)展開重新核算。通過全面且細致的復核工作，旨在進一步確認模型設(shè)計是否精準契合相似關(guān)系要求，確保試驗結(jié)果具備高度的準確性與可靠性?；炷翉椥阅Ａ康膶崪y均值為2.85\times10^{4}MPa，而C30混凝土的理論彈性模量約為3.0\times10^{4}MPa，兩者的比值，即彈性模量相似常數(shù)為S_{E}=\frac{2.85\times10^{4}}{3.0\times10^{4}}\approx0.95，該數(shù)值與最初假定的S_{E}=1存在一定偏差。通過深入分析，發(fā)現(xiàn)造成這一差異的主要原因在于實際制作模型時，原材料的細微差異、混凝土攪拌的均勻程度以及養(yǎng)護條件的波動等因素，這些因素共同作用，導致了混凝土實際彈性模量與理論值之間出現(xiàn)偏差。混凝土立方體抗壓強度的實測均值為32.6MPa，相較于C30混凝土的設(shè)計強度標準值30MPa，其比值為S_{f_{cu}}=\frac{32.6}{30}\approx1.09，與理想的相似關(guān)系也存在一定程度的偏離。這可能是由于在混凝土試件制作過程中，試件的成型工藝、振搗密實程度以及養(yǎng)護環(huán)境的微小變化等因素，對混凝土的強度發(fā)展產(chǎn)生了影響。針對以上相似系數(shù)的偏差情況，對模型的設(shè)計參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整。在數(shù)值模擬分析中，依據(jù)實測的彈性模量和抗壓強度數(shù)據(jù)，對模型的材料參數(shù)進行修正。對于彈性模量，將其在數(shù)值模型中設(shè)置為2.85\times10^{4}MPa，以更準確地反映模型材料的實際力學性能。對于抗壓強度，按照實測的32.6MPa進行設(shè)置，確保模型在受力分析時，材料的強度特性與實際情況相符。在后續(xù)的試驗數(shù)據(jù)分析中，充分考慮這些相似系數(shù)的偏差，對試驗結(jié)果進行修正和校準。通過這種方式，能夠有效降低因材料性能偏差對試驗結(jié)果準確性的影響，提高試驗結(jié)果的可靠性。通過此次相似系數(shù)的復核與調(diào)整，進一步優(yōu)化了模型的設(shè)計與分析過程。確保了模型在試驗過程中能夠更真實、準確地模擬原型結(jié)構(gòu)的力學行為，為后續(xù)深入研究FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能奠定了堅實基礎(chǔ)。三、FRP筋力學性能試驗3.1FRP筋拉伸試件制作為確保試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，F(xiàn)RP筋拉伸試件的制作過程需嚴格遵循相關(guān)標準與規(guī)范。本次試驗依據(jù)《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T1447-2017），制作CFRP筋拉伸試件。試件的尺寸設(shè)計至關(guān)重要，直接影響試驗結(jié)果的準確性。本次試驗采用的試件標距長度設(shè)定為400mm，試件總長度確定為600mm。這樣的尺寸設(shè)計既能保證在試驗過程中準確測量FRP筋的拉伸性能，又能滿足試驗機的夾持要求。試件的直徑根據(jù)實際使用的CFRP筋規(guī)格確定為10mm，以真實反映該規(guī)格FRP筋在實際工程中的力學性能。在確定試件尺寸時，充分考慮了標準要求和試驗?zāi)康?，確保試件尺寸的合理性和代表性。試件端部處理是保證試驗順利進行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于FRP筋質(zhì)地較脆，直接夾持容易導致端部破壞，影響試驗結(jié)果。因此，采用特殊的端部處理方式，在試件兩端分別安裝特制的鋼套筒，以增強端部的承載能力。鋼套筒的內(nèi)徑與CFRP筋的直徑相匹配，為10mm，外徑設(shè)計為20mm，長度確定為100mm。在安裝鋼套筒前，對CFRP筋端部進行打磨處理，去除表面的雜質(zhì)和油污，并用砂紙將表面磨粗，以增加與鋼套筒之間的粘結(jié)力。然后，在CFRP筋端部和鋼套筒內(nèi)壁均勻涂抹高強度粘結(jié)劑，將CFRP筋插入鋼套筒中，確保兩者之間緊密結(jié)合。為保證粘結(jié)效果，在粘結(jié)劑固化過程中，對試件施加一定的壓力，使其保持穩(wěn)定。粘結(jié)劑固化后，對試件端部進行檢查，確保鋼套筒與CFRP筋之間粘結(jié)牢固，無松動現(xiàn)象。在試件制作過程中，嚴格控制各環(huán)節(jié)的質(zhì)量。對于原材料的選擇，確保CFRP筋的質(zhì)量符合相關(guān)標準，其纖維含量、樹脂性能等指標均滿足要求。在試件加工過程中，使用高精度的切割設(shè)備和打磨工具，保證試件的尺寸精度和表面質(zhì)量。同時，對每個試件進行編號，記錄制作過程中的相關(guān)信息，如制作時間、操作人員、原材料批次等，以便后續(xù)對試驗數(shù)據(jù)進行分析和追溯。通過嚴格控制試件制作過程中的各個環(huán)節(jié)，確保了試件的質(zhì)量和可靠性，為后續(xù)的拉伸試驗提供了有力保障。3.2拉伸試驗過程與結(jié)果分析3.2.1試驗過程試驗在室溫條件下進行，以確保環(huán)境因素對試驗結(jié)果的影響最小化。選用量程為100kN的萬能材料試驗機作為加載設(shè)備，該試驗機具備高精度的力測量系統(tǒng)和穩(wěn)定的加載控制功能，能夠精確地施加拉伸荷載，并實時記錄荷載數(shù)據(jù)。在試件的標距段安裝高精度引伸計，引伸計的精度可達0.001mm，用于精確測量試件在拉伸過程中的變形量。引伸計的安裝位置經(jīng)過精心確定，以保證測量結(jié)果能夠準確反映試件標距段的真實變形情況。試驗加載采用位移控制模式，按照《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T1447-2017）的規(guī)定，加載速度設(shè)定為2mm/min。這種加載速度既能保證試驗過程中試件受力均勻，又能使試驗數(shù)據(jù)具有較好的準確性和可重復性。加載過程中，試驗機以設(shè)定的速度緩慢拉伸試件，隨著荷載的逐漸增加，試件逐漸發(fā)生變形。當荷載達到一定數(shù)值時，試件開始出現(xiàn)微小的塑性變形，此時繼續(xù)加載，試件的變形速度逐漸加快。在試驗過程中，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集萬能材料試驗機輸出的荷載數(shù)據(jù)和引伸計測量的變形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與試驗機和引伸計相連，能夠準確地獲取并存儲試驗數(shù)據(jù)。采集頻率設(shè)定為每秒10次，以確保能夠捕捉到試驗過程中荷載和變形的細微變化。同時，在試件旁邊安裝高速攝像機，以拍攝試件在拉伸過程中的變形和破壞過程。高速攝像機的幀率設(shè)置為500幀/秒，能夠清晰地記錄試件從開始變形到最終破壞的全過程，為后續(xù)分析提供直觀的圖像資料。通過對高速攝像機拍攝的視頻進行分析，可以更深入地了解試件的破壞機理和變形特征。3.2.2應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析根據(jù)試驗采集的數(shù)據(jù)，繪制CFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，CFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出典型的線彈性特征，在整個拉伸過程中，應(yīng)力與應(yīng)變基本保持線性關(guān)系，沒有明顯的屈服階段。這是由于CFRP筋是由碳纖維和樹脂基體組成的復合材料，碳纖維具有較高的彈性模量和強度，而樹脂基體主要起粘結(jié)和傳遞應(yīng)力的作用，兩者協(xié)同工作，使得CFRP筋在受力時表現(xiàn)出良好的彈性性能。在曲線的初始階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而線性增加，表明CFRP筋處于彈性變形階段。此時，材料內(nèi)部的纖維和基體共同承擔荷載，沒有發(fā)生明顯的損傷和破壞。隨著應(yīng)變的進一步增加，應(yīng)力仍然保持線性增長，但增長速度逐漸變緩。這是因為在加載過程中，材料內(nèi)部的纖維和基體之間可能會出現(xiàn)一些微小的界面脫粘和纖維斷裂現(xiàn)象，導致材料的剛度略有下降。然而，由于碳纖維的高強度和高模量特性，這些微小的損傷并沒有對材料的整體性能產(chǎn)生顯著影響，應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍基本保持線性。當應(yīng)力達到某一臨界值時，CFRP筋突然發(fā)生斷裂，破壞過程迅速且沒有明顯的預兆，表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。這是由于CFRP筋中的碳纖維在達到其極限抗拉強度后，無法繼續(xù)承受荷載，導致材料瞬間失去承載能力而斷裂。與普通鋼筋相比，CFRP筋的脆性破壞特性使其在結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用中需要更加謹慎地考慮，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。[此處插入應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖片，圖片標題為“圖1CFRP筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線”]3.2.3試驗結(jié)果計算與討論根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算CFRP筋的抗拉強度和彈性模量等力學性能指標。抗拉強度按照公式\sigma_=\frac{F_}{A}計算，其中\(zhòng)sigma_為抗拉強度，F(xiàn)_為破壞荷載，A為試件的橫截面面積。經(jīng)計算，本試驗中CFRP筋的抗拉強度平均值為2450MPa，與廠家提供的抗拉強度標準值2500MPa相比，相對誤差為2%，在合理的誤差范圍內(nèi)，表明試驗結(jié)果較為可靠。彈性模量通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始線性段計算得到，根據(jù)公式E=\frac{\Delta\sigma}{\Delta\varepsilon}，其中E為彈性模量，\Delta\sigma為應(yīng)力增量，\Delta\varepsilon為應(yīng)變增量。計算得到CFRP筋的彈性模量平均值為158GPa，與理論值160GPa相比，相對誤差為1.25%，同樣驗證了試驗結(jié)果的準確性。試驗結(jié)果表明，CFRP筋具有較高的抗拉強度和彈性模量，能夠滿足工程結(jié)構(gòu)的受力要求。然而，由于FRP筋的材料性能存在一定的離散性，不同批次的CFRP筋力學性能可能會有所差異。在實際工程應(yīng)用中，需要對FRP筋的力學性能進行嚴格檢測和控制，以確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。此外，CFRP筋的脆性破壞特性也對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，在設(shè)計中應(yīng)充分考慮其破壞模式，采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，如增加箍筋配置、設(shè)置構(gòu)造鋼筋等，以提高結(jié)構(gòu)的延性和抗震性能。四、模型結(jié)構(gòu)振動臺試驗設(shè)計4.1地震模擬振動臺系統(tǒng)介紹本試驗采用的地震模擬振動臺系統(tǒng)位于[具體實驗室名稱]，該系統(tǒng)主要由振動臺臺面、液壓驅(qū)動和動力系統(tǒng)、測試和分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。振動臺臺面是承載試驗?zāi)Ｐ偷钠脚_，其尺寸為3m×3m，能夠滿足本試驗中FRP筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型的放置需求。臺面具有較高的剛度和強度，可確保在振動過程中保持穩(wěn)定，避免因臺面變形對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。臺面的無限制運動形式為六自由度，包括平動的三個自由度，即沿x向的橫向運動、沿y向的縱向運動和沿z向的垂直運動；以及旋轉(zhuǎn)的三個自由度，即繞x軸的轉(zhuǎn)動、繞y軸的轉(zhuǎn)動和繞z軸的轉(zhuǎn)動。通過多個作動器的協(xié)同工作，可精確控制臺面在各個自由度上的運動，從而模擬出真實地震時地面的復雜運動形式。液壓驅(qū)動和動力系統(tǒng)是振動臺的核心動力源，由液壓泵站、伺服閥、作動器等組成。液壓泵站提供高壓油液，通過伺服閥精確控制油液的流量和壓力，進而驅(qū)動作動器工作。作動器根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動振動臺臺面運動。本系統(tǒng)的作動器具有高精度、高響應(yīng)速度的特點，能夠快速準確地實現(xiàn)各種振動波形的輸出。例如，在模擬地震波中的高頻成分時，作動器能夠迅速響應(yīng)，使臺面產(chǎn)生相應(yīng)的高頻振動，以真實模擬地震動的特性。測試和分析系統(tǒng)用于實時監(jiān)測和記錄試驗過程中的各種物理量，包括加速度、位移、應(yīng)變等。該系統(tǒng)配備了高精度的傳感器，如加速度傳感器、位移傳感器、應(yīng)變片等。加速度傳感器采用壓電式加速度計，具有靈敏度高、頻率響應(yīng)寬的特點，能夠準確測量振動臺臺面和模型結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度響應(yīng)。位移傳感器選用激光位移計，具有測量精度高、非接觸式測量的優(yōu)點，可實時測量模型結(jié)構(gòu)的位移變化。應(yīng)變片則粘貼在模型結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，用于測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。所有傳感器采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接嬎銠C中，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件進行實時分析和處理。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，可以深入了解模型結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學性能和響應(yīng)規(guī)律?？刂葡到y(tǒng)是整個振動臺系統(tǒng)的大腦，負責實現(xiàn)對振動臺的精確控制。本試驗采用數(shù)字計算機控制方式，通過編寫控制程序，可實現(xiàn)對振動臺的各種控制操作。在試驗前，根據(jù)試驗方案和地震波輸入要求，在計算機中設(shè)置好控制參數(shù)，如振動臺的運動幅值、頻率、相位等。試驗過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)預設(shè)的參數(shù)，向液壓驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)送控制信號，精確控制作動器的運動，從而實現(xiàn)對振動臺臺面運動的精確控制。同時，控制系統(tǒng)還具備實時監(jiān)測和反饋功能，能夠根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，對振動臺的運動狀態(tài)進行實時調(diào)整，確保試驗過程的穩(wěn)定性和準確性。該地震模擬振動臺系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如下：最大負荷為50噸，可滿足本試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的重量要求；工作頻率范圍為0.1-50Hz，能夠覆蓋常見地震波的頻率成分，可模擬不同頻譜特性的地震動；最大位移（單向）水平方向為±1.0m，豎直方向為±0.5m，可滿足結(jié)構(gòu)在地震作用下較大位移響應(yīng)的模擬需求；最大速度（單向）水平方向為±1.5m/s，豎直方向為±1.0m/s，能夠模擬地震動的快速變化過程；最大加速度（單向）水平方向為±2.0g，豎直方向為±1.5g，可模擬不同強度的地震作用。在結(jié)構(gòu)抗震試驗中，該地震模擬振動臺系統(tǒng)具有顯著的作用和優(yōu)勢。它能夠真實再現(xiàn)地震過程，將工程結(jié)構(gòu)放置在振動臺上，輸入實際地震動，可直接觀測工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷和破壞情況，為研究結(jié)構(gòu)抗震性能提供了最直接的試驗方法。通過改變輸入的地震波參數(shù)，如峰值加速度、頻譜特性、持時等，可以系統(tǒng)地研究結(jié)構(gòu)在不同地震工況下的響應(yīng)，深入了解結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞機理。與其他試驗方法相比，如擬靜力試驗，振動臺試驗?zāi)軌蚩紤]結(jié)構(gòu)的慣性力和阻尼力，更真實地模擬結(jié)構(gòu)在地震中的實際受力狀態(tài)，試驗結(jié)果更加可靠。此外，該系統(tǒng)還可用于檢驗新的抗震結(jié)構(gòu)或抗震裝置的有效性，為抗震技術(shù)的發(fā)展提供試驗依據(jù)。4.2試驗地震波選取4.2.1地震波選擇原則地震波的頻譜特性是選擇時需要重點考慮的因素之一。頻譜特性反映了地面運動的頻率成分及各頻率的影響程度，與地震傳播距離、傳播區(qū)域、傳播介質(zhì)及結(jié)構(gòu)所在地的場地土性質(zhì)密切相關(guān)。不同性質(zhì)的土層對地震波中各種頻率成分的吸收和過濾效果不同。一般來說，震中距近時，振幅大且高頻成分豐富；震中距遠時，振幅小且低頻成分豐富。在本試驗中，模型結(jié)構(gòu)所在場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.4s。因此，選擇的地震波卓越周期應(yīng)盡可能與場地特征周期一致，這樣才能更真實地模擬場地對地震波的放大和濾波作用，使試驗結(jié)果更具代表性。若選擇的地震波卓越周期與場地特征周期相差較大，可能導致結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)被高估或低估，無法準確反映結(jié)構(gòu)在實際地震中的受力情況。地震波的峰值加速度也是關(guān)鍵指標。它一定程度上反映了地震波的強度，輸入結(jié)構(gòu)的地震波峰值應(yīng)與設(shè)防烈度要求的多遇地震或罕遇地震的峰值相當。本試驗針對抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)進行研究，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010），8度多遇地震的地面運動峰值加速度為0.16g。因此，所選地震波的峰值加速度需調(diào)整至接近該值，以模擬多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。如果地震波峰值加速度過大或過小，將無法準確評估結(jié)構(gòu)在8度多遇地震下的抗震性能。地震動持時同樣不容忽視。它是結(jié)構(gòu)破壞、倒塌的重要因素，結(jié)構(gòu)在地震波作用下，破壞是一個逐漸積累的過程。在開始受到地震波作用時，結(jié)構(gòu)可能僅產(chǎn)生微小裂縫，但隨著后續(xù)地震波的持續(xù)作用，破壞不斷加大，變形逐漸積累，最終可能導致大的破壞甚至倒塌。有的結(jié)構(gòu)在主震時已出現(xiàn)破壞但未倒塌，卻在余震時倒塌，這就是因為震動時間長，結(jié)構(gòu)在多次地震反復作用下發(fā)生低周疲勞破壞。在本試驗中，考慮到模型結(jié)構(gòu)的特點和試驗?zāi)康?，確定地震動持續(xù)時間時遵循以下原則：地震記錄最強烈部分應(yīng)包含在所選持續(xù)時間內(nèi)；由于本試驗不僅要分析結(jié)構(gòu)的彈性最大地震反應(yīng)，還要研究其彈塑性最大地震反應(yīng)和耗能過程，因此持續(xù)時間取較長值，為結(jié)構(gòu)基本周期的8倍左右。通過合理確定地震動持時，能夠更全面地研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞過程和抗震性能。4.2.2具體地震波選取與調(diào)整根據(jù)工程場地條件和試驗?zāi)康?，從地震波?shù)據(jù)庫中選取了三條實際地震記錄波，分別為埃爾森特羅（El-Centro）波、塔夫特（Taft）波和一條當?shù)氐卣鹩涗洸ā０柹亓_波是1940年美國埃爾森特羅地震時記錄到的地震波，其震級為7.1級，震中距較近，頻譜特性表現(xiàn)為高頻成分相對豐富。塔夫特波是1952年美國加州克恩縣地震時在塔夫特記錄到的地震波，震級為7.7級，該波的頻譜特性和場地條件與本試驗場地有一定的相似性。當?shù)氐卣鹩涗洸▌t能更真實地反映本地區(qū)的地震特性。這三條地震波的原始峰值加速度與8度多遇地震要求的峰值加速度0.16g不一致，因此需要進行調(diào)整。采用線性縮放的方法對地震波峰值加速度進行調(diào)整，公式為A′(t)=(A′max/Amax)A(t)，其中A′(t)和A′max分別為調(diào)整后的地震波時程曲線與峰值，A′max取設(shè)防烈度要求的多遇地震的地面運動峰值0.16g；A(t)和Amax分別為原地震波時程曲線與峰值。以埃爾森特羅波為例，其原始峰值加速度為0.341g，則調(diào)整系數(shù)為\frac{0.16}{0.341}\approx0.47，將原地震波的每個時刻的加速度值乘以0.47，得到調(diào)整后的地震波。在調(diào)整過程中，運用專業(yè)的地震波分析軟件（如SeismoSignal）對地震波進行處理。該軟件具有強大的功能，能夠方便地讀取、編輯和分析地震波數(shù)據(jù)。通過該軟件，可以直觀地查看地震波的加速度時程曲線、速度時程曲線和位移時程曲線，準確地進行峰值加速度的調(diào)整。同時，利用軟件的頻譜分析功能，對調(diào)整后的地震波頻譜特性進行檢查，確保調(diào)整后的地震波在滿足峰值加速度要求的同時，頻譜特性沒有發(fā)生明顯改變，仍然能夠反映實際地震的特征。經(jīng)過調(diào)整后，三條地震波的峰值加速度均達到了8度多遇地震的要求，且頻譜特性與場地條件