玄武岩纤维-箍筋复合约束矩形混凝土柱的力学性能研究

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纤维-箍筋复合约束混凝土柱,由外层纤维增强材料、内置传统箍筋及混凝土三部分组成,较之单一约束混凝土柱结构表现出更高的强度和更好的延性。目前国内外对FRP-箍筋复合约束混凝土柱的研究多集中于圆形截面,对于矩形截面柱的研究相对较少;在FRP约束材料的选择上,多以碳纤维(CFRP)研究为主,少数针对玄武岩纤维(BFRP)约束混凝土柱结构开展研究。本文设计36个玄武岩纤维-箍筋复合约束矩形混凝土柱,对其进行轴压试验,并基于试验数据绘制应力-应变关系曲线,分析在多参数影响下,BFRP-箍筋复合约束矩形混凝土柱的力学性能的改善情况。试验表明:玄武岩纤维与箍筋对核心混凝土形成双重的约束机制,有效提高了混凝土柱的承载能力和变形能力;约束矩形混凝土柱的轴压性能与纤维层数、箍筋间距和试件倒角半径参数紧密相关,倒角半径的增大显著改善其轴压力学性能,相同FRP包裹层数和箍筋间距,倒角半径越大,力学性能提高效果越好,在倒角半径相同的条件下,增加FRP层数或加密箍筋间距可有效提升约束柱的承载能力及变形能力。FRP-箍筋复合约束矩形混凝土柱试件的应力-纵向应变关系曲线大致可分为弹性变形阶段、过渡阶段、强化阶段和残余阶段四部分。弹性变形阶段:其应力-应变关系曲线与素混凝土试件基本保持一致;过渡阶段:外层FRP与内置箍筋开始发挥作用,对核心混凝土提供侧向约束力;强化阶段:箍筋对核心混凝土的侧向约束力基本恒定,FRP的应变持续增加,提供持续增长的侧向约束力;残余阶段:FRP断裂后,对混凝土的侧向约束力失效,只剩箍筋仍保持约束状态,保证结构延性。此外,FRP-箍筋复合约束矩形混凝土柱试件的横向应变对比结果表明,受角部应力集中影响,矩形截面倒角切线处和倒角中心处的横向应变小于试件截面中部应变,试件中部的变形明显大于试件角部变形。利用涵盖本文试验和前人相关试验数据的数据库,对现有FRP-箍筋复合约束矩形混凝土模型进行评估分析。引入箍筋的有效约束系数ke及FRP的截面形状系数ks,对FRP-箍筋复合约束圆柱混凝土的计算模型进行修正,并进一步考虑小倒角半径对核心混凝土约束效果的降低,基于大量试验数据回归,最终提出适用性广泛的FRP-箍筋复合约束矩形混凝土极限应力、应变及峰值应力、应变的计算模型,其误差均小于现有模型误差。将理论值带入通用模型可对不同材料约束的矩形混凝土试件的应力-应变曲线进行预测,尤其可以预测轴压作用下FRP-箍筋复合约束矩形混凝土四阶段的应力-应变完整曲线,对比数据库中不同试件的实际试验曲线,本文建议模型表现优异,充分体现了FRP、箍筋及其综合作用下约束混凝土试件各参数之间的关联性,具有广泛的适用性和精准度,可对约束矩形混凝土结构的研究提供依据,为实际工程应用有很好的参考价值。
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