【摘 要】
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纤维增强复合材料(FRP)具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀和抗辐射等优点,在建筑、桥梁等众多领域被广泛运用。已有的FRP加固混凝土柱的研究中,主要集中在未预裂混凝土柱加固后的受力性能,而钢筋混凝土柱在实际工程中普遍存在不同程度的损伤。因此,本文开展CFRP条带加固高预裂混凝土柱偏压性能试验研究和理论分析。本试验分为两组(A组和B组),通过对A组5根小偏压试件和B组7根大偏压试件,进行CFRP条带加固混
【基金项目】
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安徽省“FRP加固混凝土结构技术规程”项目;
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纤维增强复合材料(FRP)具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀和抗辐射等优点,在建筑、桥梁等众多领域被广泛运用。已有的FRP加固混凝土柱的研究中,主要集中在未预裂混凝土柱加固后的受力性能,而钢筋混凝土柱在实际工程中普遍存在不同程度的损伤。因此,本文开展CFRP条带加固高预裂混凝土柱偏压性能试验研究和理论分析。本试验分为两组(A组和B组),通过对A组5根小偏压试件和B组7根大偏压试件,进行CFRP条带加固混凝土柱的偏压性能试验研究。A组试件主要考虑了预裂度、CFRP条带间距和偏心距对试件极限承载力、延性、荷载-挠度、弯矩-曲率、刚度和应变的影响。A组中小偏压对比柱的破坏形态是靠近轴向力纵向钢筋受压屈服,然后受压区混凝土被压碎,但是远离轴向力纵向钢筋始终没有屈服。小偏压加固柱的破坏形态是纵向受压钢筋屈服,然后受压区混凝土被压碎。但是纵向受拉钢筋没有屈服,横向CFRP条带也没有被拉断。结果表明,随着预裂度和偏心距增大,试件极限承载力不断下降,挠度逐渐增大,曲率不断降低,延性变差,刚度后期退化速度快。试件纵向钢筋、受压区混凝土和横向CFRP条带应变增长速度加快。随着CFRP条带间距增大,试件的延性、纵向钢筋、受压区混凝土和横向CFRP条带应变增长速度减慢。但是,CFRP条带间距对试件极限承载力、挠度、曲率和刚度影响不明显。B组试件主要考虑了预裂度、CFRP条带间距和偏心距,对试件极限承载力、延性、荷载-挠度、弯矩-曲率、刚度和应变的影响。B组大偏压对比柱的破坏形态是纵向受拉钢筋屈服,然后纵向受压钢筋屈服,最后受压区混凝土被压碎。大偏压加固柱的破坏形态是纵向受拉钢筋屈服,然后纵向受压钢筋屈服,最后纵向CFRP布被拉断,受压区混凝土被压碎,但是横向CFRP条带未被拉断。结果表明,随着预裂度和偏心距增大,试件极限承载力下降,挠度逐渐增大,曲率不断降低,延性变差,刚度后期退化速度快。试件纵向钢筋、受压区混凝土、横向CFRP条带和纵向CFRP布应变增长速度加快。随着CFRP条带间距增加,试件的延性、纵向钢筋、受压区混凝土、横向CFRP条带和纵向CFRP布应变增长速度加快。但是CFRP条带间距对试件极限承载力、挠度、曲率和刚度影响不明显。在试验研究的基础上,提出CFRP条带加固混凝土偏压柱受力机理,根据截面应变关系和受力平衡条件,考虑截面形状,提出CFRP条带加固矩形截面环向约束应力计算公式。考虑预裂度、CFRP条带间距和偏心距等因素,引入预裂度系数和CFRP条带应变分布系数,分别提出CFRP条带加固高预裂混凝土小偏压柱和大偏压柱承载力计算公式。在此基础上,考虑了偏心距和预裂度的影响,引入偏心距增大系数,建立CFRP条带加固预裂混凝偏压柱应力-应变关系模型。在试验研究的基础上,主要考虑了预裂度、CFRP条带间距和偏心距对A、B两组试件裂缝宽度和裂缝间距的影响。随着预裂度增大,A组试件裂缝宽度增长速度加快,裂缝宽度逐渐增大,平均裂缝间距逐渐减小。B组试件裂缝发展迅速,尤其是高预裂试件,一直处于带裂缝工作状态,后期裂缝宽度明显增大,平均裂缝间距逐渐减小。CFRP条带间距对A组和B组试件裂缝宽度和平均裂缝间距影响不大。在理论研究的基础上,提出CFRP条带加固高预裂混凝土柱裂缝形成机理,根据裂缝单元模型受力平衡条件,推导CFRP条带加固混凝土偏压柱平均裂缝间距计算公式。在平均裂缝间距计算公式的基础上,考虑预裂度和偏心距等因素,引入预裂度对裂缝宽度的影响系数,提出CFRP条带加固预裂混凝土偏压柱裂缝宽度公式。根据试件截面应变平衡关系,考虑了预裂度、CFRP条带间距和偏心距的影响,引入预裂度对刚度影响系数,推导出CFRP条带加固预裂混凝土偏压柱刚度计算公式。在材料应力-应变关系模型的基础上,合理选取试件钢筋、混凝土和CFRP条带的应力-应变关系及单元类型,定义CFRP条带与混凝土之间的接触,钢筋混凝土构件的边缘约束,设置分析步并创建荷载,划分单元网格,建立试件有限元分析模型,分析混凝土强度、纵筋配筋率和CFRP条带加固层数对荷载-挠度关系曲线的影响,模型计算结果与试验符合良好。
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