FRP约束高性能混凝土柱轴心受压力学性能研究

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随着超高层建筑、大跨径桥梁及地下建筑等工程的兴起,对于混凝土结构的强度、耐久性、工作性等性能要求逐渐增加,然而在实际工程中,由于不利环境的影响(混凝土冻坏、老化等),混凝土不可避免的出现劣化问题,高性能混凝土的研究也变成目前热门的课题之一。目前关于纤维增强复合材料(FRP)约束高强混凝土柱的研究存在FRP约束柱破坏后碎散严重的问题,破坏后的试件破坏呈若干部分。本文针对FRP约束高强混凝土破坏程度大的问题,通过掺加钢纤维的方式来改善这一问题。本文先设计了高强自密实混凝土的配合比,并在此基准配合比上进一步设计得到钢纤维高强自密实混凝土的配合比。随后从FRP“边界约束”与钢纤维“内部约束”的角度出发,进行了FRP约束钢纤维高强自密实混凝土柱的轴心受压试验。主要结论如下:(1)通过高强自密实混凝土的配合比调配出钢纤维高强自密实混凝土的配合比,不同钢纤维掺量下的水胶比为0.3时,其流动性、填充性及钢筋间歇通过性能工作性能满足规范要求。通过FRP片材单轴拉伸试验与混凝土静力受压弹性模量试验获取有限元模拟所需的基本力学参数。(2)从FRP“边界约束”与钢纤维“内部约束”的角度出发,通过不同边界约束下FRP约束钢纤维高强混凝土圆柱的轴压试验结果,考察钢纤维对于高强混凝土圆柱的增强效果。试验结果表明:随着边界约束层数的增加,混凝土的轴压性能得到了显著的改善,与FRP“边界约束”相比,钢纤维“内部约束”作为内部混凝土的增强材料,是混凝土轴压性能的提升效果的次要因素。钢纤维的“内部约束”作用主要体现在改善高强混凝土柱的破坏形态,破坏后的钢纤维混凝土圆柱几乎保持着完整柱的形态,便于结构的二次加固。此外,钢纤维的“内部约束”作用能提高混凝土圆柱的延性,改善高强混凝土脆性大的缺点,且能在一定程度上提升高强混凝土柱的强度。(3)通过2层CFRP条带约束钢纤维高强自密实混凝土圆柱的轴压试验结果,初步考察了条带约束形式下钢纤维“内部约束”对于混凝土圆柱的增强效果。试验结果表明:在钢纤维“内部约束”作用下,2层CFRP条带约束高强混凝土圆柱的承载力及延性较无约束柱有一定的提升,但提升幅度有限,钢纤维的“内部约束”作用主要体现在改善试件的破坏形态方面。与全包裹形式CFRP约束柱一样,CFRP条带约束钢纤维高强混凝土圆柱破坏后仍保持着完整柱的形态。(4)通过不同边界约束下的CFRP约束钢纤维高强自密实混凝土方柱的轴压试验结果,考察钢纤维“内部约束”对于混凝土方柱的增强效果。试验结果表明:随着CFRP层数增加,高强混凝土方柱的承载性能得到显著改善;相较于素高强混凝土柱而言,钢纤维的“内部约束”作用对于高强混凝土方柱的轴压性能提升效果优于高强混凝土圆柱,表明钢纤维的掺入对于高强混凝土方柱的提升效果更显著;CFRP约束高强混凝土方柱的荷载-位移曲线表现出类似“屈服平台”的特征,荷载随轴向位移增长速度缓慢,且随着CFRP层数及钢纤维掺量的增加,“屈服平台”段长度增长。(5)通过ABAQUS有限元软件模拟了FRP约束高性能混凝土的轴压试验,模拟结果与试验结果吻合较好,为FRP约束高性能混凝土柱的承载力计算提供了依据。并通过有限元模拟了不同尺寸下CFRP约束高强混凝土圆柱的轴压试验,模拟结果表明,不同尺寸下CFRP约束高强混凝土圆柱的抗压强度几乎不存在尺寸效应。
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