无机胶粘贴CFRP筋嵌入式加固RC梁抗弯性能研究

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在钢筋混凝土结构(RC)加固领域,具备抗剥离性能高、抗外界不利因素等特点的嵌入式CFRP筋加固已经被证实是一种优于传统外贴加固的新型加固技术。目前,嵌入式(NSM)CFRP筋加固采用的粘接剂多为有机环氧树脂或无机水泥砂浆材料,前者虽加固效果较好,但有机胶施工作业有毒有害性大,耐高温耐火性能差,后者加固效果差,同时水泥生产能耗较大,不满足建筑业绿色环保的要求。为避免环氧树脂和水泥砂浆加固中的不利因素,本文提出将快硬早强且绿色环保的碱激发地聚物砂浆用于嵌入式CFRP筋加固RC梁。此外,为减轻构件的剥离破坏并进一步提高加固后RC构件的受力性能,本文还提出一种新型CFRP布条带缠绕锚固构造,对引入该种锚固构造加固后的构件受力性能也进行了一定的研究。本文采用试验研究、有限元验证与理论分析相结合的方法,首先对21根粘结加固试件进行了界面粘结性能的基础性研究,得到了粘接剂类型、开槽宽度和锚固数量对粘结极限荷载的影响规律,再在粘结性能研究的基础上,将无机胶粘贴CFRP筋嵌入式加固体系应用于抗弯加固RC梁,对5根RC梁进行了抗弯性能试验研究,探究了粘接剂类型、粘结长度和锚固构造对加固后RC梁抗弯性能的影响规律。主要内容如下:(1)对21根试件开展嵌入式CFRP筋-无机胶-混凝土界面粘结性能试验研究,揭示粘接剂类型、开槽宽度以及锚固措施等因素对嵌入式加固体系破坏模式、荷载-位移曲线的影响,结果表明:环氧树脂试件的极限拉拔荷载最高,水泥砂浆试件的极限荷载大约仅为地聚物试件的33%;开槽宽度增大20%对极限荷载的提高幅度仅为3%左右;锚固数量为1、2和3个对极限荷载的提高分别为14%、25%和28%。此外,通过回归分析拟合出合理的界面平均粘结应力-滑移模型。(2)在粘结性能试验研究的基础上,采用ABAQUS有限元软件中的内聚力单元对无机胶粘贴CFRP筋粘结性能试验进行了相应的有限元模拟验证,对比试验结果,证明了采用内聚力模型进行有限元模拟的合理性。(3)设计并制作了5根RC梁开展无机胶粘贴CFRP筋嵌入式加固RC梁抗弯性能试验研究,探究了无机粘接剂类型、CFRP筋粘结长度以及锚固构造对RC梁破坏模式、荷载-跨中挠度曲线、应变、刚度和延性以及耗能性能的影响规律,结果表明:水泥砂浆试件的剥离破坏最严重,加固比率为0.5的试件极限荷载最低,带锚固构造试件破坏程度轻且极限荷载和耗能性能均最高。(4)在加固梁试验研究的基础上,进行无机胶粘贴CFRP筋嵌入式加固RC梁的有限元模拟,将模拟值与试验值拟合,提出了合理的加固梁有限元模型。此外,基于目前嵌入式加固梁计算理论,对梁极限荷载和挠度进行预测计算,证明了规范推荐的计算理论模型能够进行无机胶粘贴CFRP筋嵌入式加固梁抗弯设计。(5)在加固梁有限元模型的基础上,进行嵌入式加固RC梁有限元变参分析,分析了开槽尺寸、CFRP筋直径(加固量)、FRP筋材料种类(弹性模量)等因素对加固梁破坏模式和抗弯性能的影响规律,将有限元和相应理论分析结果进行了比较。
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