CFRP布加固损伤再生混凝土梁抗弯性能研究

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随着我国基础设施建设规模的不断扩大,混凝土的需求量逐年增加,由此导致天然骨料出现了短缺。寻找新的天然骨料替代品成为工程界的迫切需求。再生骨料来源于废旧建筑,将其用于新拌混凝土既可减轻天然骨料短缺带来的压力,又可解决再生骨料作为固废填埋处理时造成的环境污染,理论上具有一定的可行性,国内也已开始重视再生骨料的研究及使用。然而,与天然骨料相比,再生骨料存在一定的缺陷,导致由其制成的再生混凝土构件的长期性能不易保证,可能在服役一段时间后出现孔隙增大、微裂缝扩展、宏观开裂、强度降低等细观、宏观损伤,需加固后才能继续使用。然而目前国内外对损伤再生混凝土构件加固后的力学性能研究相对较少。本文以再生混凝土适筋梁为研究对象,对其进行预加载以产生初始损伤,然后选择在加固工程中应用较广的碳纤维复合片材(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简写为CFRP)作为加固材料,通过试验研究与数值模拟,分析了加固损伤再生混凝土梁在二次荷载作用下的变形及受力性能发展规律。主要研究内容与结论如下:(1)再生混凝土梁在弯曲荷载作用下的变形性能研究。设计了不同再生骨料取代率的钢筋混凝土适筋梁并进行了预加载,结果表明:在同一荷载水平下,随再生骨料取代率的增加,混凝土最大裂缝宽度增大;随荷载水平的增加,相同配合比的混凝土梁的裂缝数量增多,最大裂缝宽度增大,混凝土损伤加剧。(2)碳纤维布加固损伤再生混凝土梁受弯性能研究。为了研究不同预损伤程度、不同再生粗骨料取代率与不同碳纤维布加固宽度对梁受弯性能的影响,设计并制作了3根不同再生骨料取代率的基准梁与6根CFRP布加固梁。分析了各影响因素对构件特征荷载、裂缝分布形态、钢筋应变、碳纤维布应变、荷载-挠度曲线的影响。结果表明:1)使用碳纤维布加固梁底可以显著提升构件的抗弯承载力,减小构件挠度,改善构件的抗裂性能;2)随预损伤程度的增加,加固后梁屈服荷载与极限荷载提升幅度减小,且二次加载时混凝土受弯裂缝宽度增大;3)碳纤维布加固宽度对构件的屈服荷载与极限荷载有重要影响,当加固宽度由梁的半宽增加到全宽时,损伤再生混凝土梁的屈服荷载提高了14.8%,极限荷载提高了34.2%,但加固后钢筋混凝土梁的承载力增加幅度并不与CFRP布加固宽度的增加幅度一致。(3)碳纤维布加固损伤再生混凝土梁受弯性能数值模拟。使用有限元软件ABAQUS建立了与试验梁相对应的基准梁与加固梁的有限元模型,其中混凝土采用损伤塑性模型,钢筋采用理想弹塑性模型,CFRP布采用理想弹性模型,同时使用软件中的Surface-based cohesive接触来模拟混凝土与碳纤维布之间的粘结行为,并通过刚度下降率来判断加载过程中碳纤维布是否发生剥离破坏。最终得到的各梁的数值模拟结果与试验结果较为一致。在此基础上进行了不同设计参数对CFRP布加固梁的力学性能预测,分析了预加载水平、再生粗骨料取代率以及碳纤维布加固宽度等参数对再生钢筋混凝土梁受弯性能的影响。结果表明:1)随预加载水平增大,CFRP布加固再生混凝土梁的极限承载力提升幅度减小,跨中挠度则有所增大;2)随再生粗骨料取代率的增加,CFRP布加固混凝土梁的极限承载力减小,变形增大;3)增加碳纤维布加固宽度可以显著提高损伤再生混凝土梁的极限承载力。
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