【摘 要】
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过去二十年,由于纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)具有轻质、高抗拉强度、良好的耐腐蚀和抗疲劳特性,在混凝土结构加固改造领域得到广泛应用。近年来,采用FRP纵筋与箍筋替代传统的钢筋,在新建混凝土结构中作为增强材料的应用引起了越来越多的关注。FRP筋的使用可以有效避免钢筋锈蚀引起的问题,提升结构的耐久性与服役寿命,特别是在海洋与桥梁结构中具有较好的应用前景。对
【基金项目】
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The National Key Research and Development Program of China(No.2017YFC0703001); The National Natural Science Foundation of China(No.51408153, No.51478143,and No.51278150);
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过去二十年,由于纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)具有轻质、高抗拉强度、良好的耐腐蚀和抗疲劳特性,在混凝土结构加固改造领域得到广泛应用。近年来,采用FRP纵筋与箍筋替代传统的钢筋,在新建混凝土结构中作为增强材料的应用引起了越来越多的关注。FRP筋的使用可以有效避免钢筋锈蚀引起的问题,提升结构的耐久性与服役寿命,特别是在海洋与桥梁结构中具有较好的应用前景。对于传统拉挤成型FRP箍筋,必须在树脂热固之前弯曲FRP筋来实现不同形状箍筋的制备。FRP筋的弯曲会使内部纤维褶皱和外部纤维应力集中,从而导致较低的弯曲段抗拉强度。另一方面,在混凝土保护层剥落后,拉挤FRP箍筋容易出现箍肢搭接区段的粘结锚固破坏,进而削弱对核心混凝土的约束作用。传统FRP箍筋通常在工厂预制生产,无法像钢筋一样在施工现场进行尺寸与形状的变更,面对设计变更需求时只能重新定制生产。为解决上述问题,本文提出了一种FRP条带箍筋,这类箍筋可通过将环氧树脂浸渍的FRP条带直接缠绕在纵筋骨架上制备而成,有效解决了在施工现场遇到的设计变更问题。FRP条带箍筋具有较高的弯曲段抗拉强度,封闭的形式避免了搭接区段的粘结锚固破坏,将其应用于混凝土受压构件中,一方面改善了混凝土柱的耐久性,同时为核心混凝土提供更有效的约束作用。考虑到碳纤维(CFRP)复材的弹性模量与钢材相似,远高于玻璃纤维(GFRP)和玄武岩纤维(BFRP)复材,因此本文选择碳纤维作为条带箍筋的材料。以配置钢筋纵筋和CFRP条带箍筋的混合配筋混凝土柱作为研究对象,利用CFRP良好的耐腐蚀性能达到改善墩柱长期服役性能和提升结构寿命的目的,同时发挥CFRP箍筋优异的力学性能,使墩柱具备较好的受压延性。通过试验与有限元分析,制备并测试了CFRP条带箍筋的基本力学性能,提出了CFRP条带箍筋约束混凝土的应力—应变本构关系模型,该模型可用于这类混合配筋柱的抗震分析,最后建立了这类偏压构件的N-M相关曲线,为提高混凝土墩柱的耐久性及混合配筋墩柱的设计提供了技术支持,本文主要研究内容和结论如下:(1)确定了CFRP条带箍筋的制备工艺,开展了条带箍筋弯曲段抗拉强度的材性试验,验证了新型条带箍筋弯曲段抗拉强度优于传统拉挤成型箍筋;完成了分别配置钢箍筋、传统拉挤成型CFRP箍筋与新型条带箍筋约束钢纵筋混凝土柱的受压性能试验,试验结果表明,新型CFRP条带箍筋比其它两类箍筋大幅提高了混凝土墩柱的延性。(2)建立了CFRP条带箍筋约束混凝土墩柱的精细化有限元模型,与试验结果对比验证了模型的正确性;开展了参数分析,研究了CFRP条带箍筋的约束效率以及箍筋参数对墩柱受压性能的影响规律;分析结果表明,核心混凝土的有效约束区域与条带箍筋的布置方式密切相关,内部八角形箍筋的约束效率优于菱形箍筋,混凝土强度等级、箍筋间距与体积配箍率对峰值受压承载力有一定影响,但对受压延性的影响更大。(3)基于受压试验与有限元分析结果,建立了CFRP条带箍筋约束混凝土的强约束、中等约束与弱约束的界定原则,明确了条带箍筋的有效约束面积,建立了峰值承载力、峰值应变与极限应变的计算公式,提出了CFRP条带箍筋约束混凝土的单轴受压应力—应变本构关系模型,与既有FRP箍筋约束混凝土本构模型相比,该模型与试验结果吻合较好。(4)针对配置CFRP条带箍筋与钢纵筋、FRP纵筋的混凝土偏心受压柱,开展了有限元分析,明确了FRP纵筋在受压时的贡献;基于截面分析建立了偏压承载力的理论预测模型,提出了这类偏压构件的N-M相关曲线,研究了混凝土抗压强度、纵筋配筋率、长细比等参数对N-M相关曲线的影响规律,给出了偏压构件的设计流程与具体构造措施。钢筋混凝土柱的承载力预测模型同样适用于混合配筋柱,在小偏心情况下忽略FRP纵筋的受压贡献将过于保守,混合配筋柱的长细比限值低于钢筋混凝土柱。
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