配置CFRP网格筋的混凝土剪力墙受弯及抗震性能研究

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传统的钢筋混凝土剪力墙在中大震作用下会遭受较大的损伤和破坏,产生较大的残余变形,震后修复困难且代价昂贵。已有研究表明,在剪力墙中合理的应用纤维增强复合材料(FRP)可以有效地减小墙体损伤,提高试件的承载能力和可修复性。碳纤维增强复合材料(CFRP)网格筋作为一种新的FRP构造形式,具有双向受力、整体性好、裂缝控制和锚固性能优越等特点,近年来在新建结构中进行了一定的应用和研究,并取得了良好的效果,然而在剪力墙构件中相应的应用和研究却很少。本文通过试验研究、理论分析及数值模拟相结合的方法,对配置CFRP网格筋的混凝土剪力墙受弯及抗震性能进行了较为系统的研究。主要研究内容和成果如下:(1)通过对5片配置CFRP网格筋的混凝土剪力墙及1片钢筋混凝土剪力墙进行低周反复加载试验,探究了CFRP网格筋在剪力墙中不同布置形式及其与钢筋的混配比例对剪力墙受弯及抗震性能的影响,并对剪力墙滞回性能、刚度及延性、强度退化、耗能能力、残余变形以及筋材应变进行了全面的分析,结果表明,配置CFRP网格筋剪力墙的滞回曲线均呈现出明显的二次刚度,承载能力显著提高,残余变形明显减小。CFRP网格筋布置于墙体两侧能够更加有效地抑制裂缝开展,承载力更高;而布置在墙体中间更有利于维持构件承载力的基本稳定,残余变形更小。CFRP网格筋所占比例越大,对裂缝的控制效果越好,剪力墙试件的二次刚度更大,承载力更高,混凝土压碎后试件的残余变形更小,但试件的延性降低;实现剪力墙耗能最大化的混配比例存在最优值,混配比例约为1:1时与钢筋混凝土剪力墙的耗能水平相同。因此,CFRP网格筋布置于外侧、钢筋布置于中间且采用合适混配比例的混凝土剪力墙具有最为理想的综合抗震性能。(2)墙体底部竖向CFRP网格筋应变沿截面近似呈线性分布,平截面假定基本成立。边缘竖向CFRP网格筋的峰值应变在0.011-0.014范围内,强度利用率约为65%-75%。基于“最外侧受拉钢筋屈服-边缘混凝土压溃-最外侧竖向CFRP网格筋断裂”的延性破坏准则推导出了配置CFRP网格筋的混凝土剪力墙受弯承载力计算公式,并利用试验CFRP网格筋的应变数据迭代计算得到受压区边缘混凝土极限压应变,由此计算的承载力与试验结果吻合较好,设计时建议混凝土极限压应变取为0.006。(3)基于MTVLEM建立的CFRP网格筋剪力墙有限元分析模型能够较好地反映出试件从屈服到破坏的荷载-位移关系变化特征,但低估了剪力墙试件的耗能水平。试件承载力模拟结果与试验结果较为接近,平均误差小于3%;对峰值位移模拟的平均误差虽小于1%,但模拟精度不稳定。利用所建立的有限元分析模型对不同轴压比和剪跨比下的剪力墙试件进行参数化分析,模拟结果与理论计算结果较为接近,平均误差均在10%以内;在一定范围内提高轴压比或减小剪跨比会使剪力墙试件的承载力上升,与传统钢筋混凝土剪力墙的变化规律基本一致。
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