【摘 要】
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在沿海及内陆高盐碱地区中由于土地含氯离子浓度较高,造成钢筋混凝土电杆更容易发生钢筋锈蚀,严重影响了电杆结构耐久性以及电网线路安全。而纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)筋具有强度高、抗腐蚀性能优良、抗电磁、质量轻等特点,并且在多种FRP筋中,CFRP筋的抗拉强度更高,更能满足电杆结构安全可靠度较高的要求。可将CFRP筋应用到混凝土电杆中,充分发挥CFRP筋强
【基金项目】
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广西壮族自治区八桂学者专项研究经费资助项目([2019]79号);
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在沿海及内陆高盐碱地区中由于土地含氯离子浓度较高,造成钢筋混凝土电杆更容易发生钢筋锈蚀,严重影响了电杆结构耐久性以及电网线路安全。而纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)筋具有强度高、抗腐蚀性能优良、抗电磁、质量轻等特点,并且在多种FRP筋中,CFRP筋的抗拉强度更高,更能满足电杆结构安全可靠度较高的要求。可将CFRP筋应用到混凝土电杆中,充分发挥CFRP筋强度高和耐腐蚀好等材料优势,能有效解决电杆中钢筋锈蚀问题。本文主要是为了研究CFRP筋混凝土电杆受弯性能,探究各设计参数对电杆受弯性能的影响,对这种构件承载力和刚度的提高给出一定的设计建议,并提出了极限承载力和挠度计算方法。研究结果能为该种构件在土壤盐分较高的地区广泛应用提供理论支撑。主要内容和结论包括:(1)对4根CFRP筋锥形混凝土电杆和3根钢筋锥形混凝土电杆(以下简称为CFRP筋混凝土电杆和钢筋混凝土电杆)进行试验。结果表明:对比钢筋混凝土电杆,CFRP筋混凝土电杆刚度更小,约为钢筋混凝土电杆刚度的58.5%,而极限承载力和极限挠度比钢筋混凝土电杆要大16.1%和54.3%。发现CFRP筋混凝土电杆的最大裂缝宽度随荷载增大呈线性增加,相对于钢筋混凝土电杆,其最大裂缝宽度早期增加较快,后期增加相对较缓。(2)基于Abaqus软件进行数值模拟,模拟结果和试验结果的破坏形态和荷载挠度曲线对比,验证了有限元模型准确性,再以混凝土强度、配筋率、圆环壁厚以及箍筋间距为变量进行拓展参数分析。分析表明,增大混凝土强度、配筋率、圆环壁厚均能提高电杆刚度和极限承载力,其中增大配筋率对刚度的提升作用更为显著。对CFRP筋混凝土电杆施加预应力进行数值模拟,探讨预应力CFRP筋混凝土电杆性能,模拟结果证明,CFRP筋混凝土电杆施加预应力能有效减小电杆挠度。(3)将CFRP筋混凝土电杆破坏模式分为平衡破坏、受压破坏及受拉破坏,计算平衡配筋率作为受压和受拉破坏临界配筋率,通过拟合得到内力臂系数计算公式,以及与中性轴有关的系数α和λ等计算公式,进而推导受压和受拉破坏两种破坏模式的正截面抗弯承载力计算方法,通过与试验结果和有限元计算结果对比,对比值Mexp/Mcu的均值为1.01,变异系数为0.065,验证了计算公式正确性。(4)理论推导了电杆固定端的截面抗弯刚度计算方法,并且推导了锥形电杆梢端挠度三种计算方法,将等效刚度方法和考虑大变形挠度计算曲线和模拟曲线对比,发现在变形较大时考虑大变形挠度计算方法计算结果更为准确。并采用考虑大挠度变形的挠度计算方法计算各试件的挠度,通过与各试件模拟结果对比,验证了挠度计算公式准确性。(5)建立了混凝土强度、纵筋直径、圆环壁厚与电杆刚度之间的BP神经网络模型,能通过设计参数预测电杆等效刚度,进而采用最小刚度法计算电杆挠度,提高挠度计算效率。同时基于神经网络进行各参数敏感性分析,分析各参数对电杆刚度的影响,表明纵筋直径对刚度影响最大,与单因素分析中得到规律相似。
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