芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点轴压性能研究

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近些年来,碳纤维增强复合材料(CFRP)因其具有高强、轻质、耐腐、抗疲劳等优异性能,已经被广泛应用于土木工程领域。将CFRP条带等间距缠绕在PVC管表面,并在管内配置钢筋笼,最后浇筑混凝土形成PVC-CFRP管钢筋混凝土结构。研究表明,PVC-CFRP管钢筋混凝土柱具有良好的承载力和延性。为了进一步探究PVC-CFRP管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点在轴压荷载作用下的力学性能,本文开展芯钢管连接的PVC-CFRP管钢筋混凝土柱-钢筋混凝土梁节点轴压性能研究,主要研究内容及结论如下:对A组11个试件(10个芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土强节点弱柱试件和1个芯钢管连接的PVC管混凝土强节点弱柱试件)进行轴压试验研究,结果表明,本组试件均发生柱破坏,芯钢管连接的PVC管混凝土强节点弱柱试件破坏形态为PVC管混凝土柱纵筋和箍筋屈服,PVC管受压鼓屈变形;芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土强节点弱柱试件破坏形态为柱内纵筋和箍筋屈服,上柱中部CFRP条带被拉断,PVC管受压开裂。分析了节点高度、芯钢管长度、节点环箍配箍率、芯钢管含钢率和CFRP条带间距对柱和节点承载力、变形、刚度和荷载-变形关系曲线的影响规律。(1)对于PVC-CFRP管混凝土柱,随着CFRP条带间距的减小,柱的极限承载力和屈服承载力增大,柱轴向和环向极限应变增大,柱的刚度退化减缓。(2)对于节点,随着芯钢管长度、环箍配箍率和芯钢管含钢率的增大,节点轴向和环向极限应变减小;随着CFRP条带间距和节点高度的减小,节点轴向和环向极限应变增大,节点刚度退化增大。对B组试件(9个芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土强柱弱节点试件)进行轴压试验研究,结果表明,9个试件的破坏形态均为节点压溃破坏,节点和柱内纵筋及箍筋屈服,节点内芯钢管屈服,节点核心区侧面出现4~5条集条竖向贯通裂缝和斜向裂缝,并伴有节点核心区外表面混凝土脱落。分析了节点高度、芯钢管长度、节点环箍配箍率和芯钢管含钢率对柱和节点承载力、变形、刚度和荷载-变形相关曲线的影响规律。(1)对于PVC-CFRP管混凝土柱,随着节点高度减小,PVC-CFRP管混凝土柱轴向和环向极限应变增大;随着节点环箍配箍率和芯钢管含钢率减小,PVC-CFRP管混凝土柱轴向和环向极限应变增大。(2)对于节点,环形箍筋配箍率和芯钢管含钢率增加,节点的极限承载力和屈服承载力增加,节点核心区轴向极限应变增大,节点环向极限应变减小,节点刚度退化减缓;随着节点高度的增大,节点极限承载力和屈服承载力降低,节点核心区轴向和环向极限应变减小。芯钢管长度对节点核心区轴向和环向极限应变影响并不明显。在试验研究的基础上,根据PVC-CFRP管混凝土柱在极限状态下静力平衡条件,并考虑节点高度对PVC-CFRP管混凝土柱的极限承载力影响,引入承载力的节点高度影响系数?h,最终推导出轴压荷载作用下PVC-CFRP管混凝土柱的极限承载力公式。并对该公式进行了验证,结果表明其计算值与试验值基本吻合。在试验研究的基础上,考虑节点高度对PVC-CFRP管混凝土柱应力-应变关系的影响,引入应变的节点高度影响系数?h,建立PVC-CFRP管混凝土柱的应力-应变关系模型。并对该公式进行了验证,结果表明其计算值与试验值基本吻合。在试验研究的基础上,根据极限平衡法和约束混凝土理论,并考虑梁对节点的约束作用和芯钢管混凝土极限承载力的折减,引入梁约束对柱极限承载力的提高系数?和芯钢管混凝土承载力叠加折减系数?,推导出轴压荷载作用下节点极限承载力公式。并对该公式进行了验证,结果表明其计算值与试验值基本吻合。在试验研究的基础上,考虑梁对节点核心区约束作用,引入梁约束对节点极限应变的提高系数?b,建立节点核心区应力-应变关系模型。并对该公式进行了验证,结果表明其计算值与试验值基本吻合。采用ABAQUS,合理的选取各材料的本构关系以及单元类型,设置分析步,定义实体间的接触和约束,创建荷载和边界条件,划分网格,建立有限元分析模型。利用该模型结算结果分析试件的受力性能及破坏形态,并将有限元模拟计算值与试验值比较,验证试验结果的准确性,结果表明:有限元模拟计算值与试验值较为接近,建立的有限元能较好的模拟试件的受力情况。
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