【摘 要】
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随着海洋强国的兴起,国家加大对沿海地区及岛礁的建设,部分地区出现严重的河砂及淡水资源短缺现象,使用海水和海砂来制备混凝土,不仅就地取材节约成本,还能解决由使用淡水和过度开采河砂造成的资源枯竭和环境问题。然而钢筋在海水海砂混凝土中氯离子富集的环境下会加速锈蚀,GFRP(玻璃纤维复合材料)筋因其优异的机械性能和抗腐蚀性,可有效解决钢筋的锈蚀问题,因此GFRP筋-海水海砂混凝土结构拥有良好的应用前景。框
【基金项目】
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“南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)重大专项:海洋工程新材料及新型结构,项目编号:GML2019ZD0503”; “国家自然科学基金重点项目:海洋服役环境下FRP筋海水海砂混凝土构件耐久性实验研究,项目编号:12032009”;
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随着海洋强国的兴起,国家加大对沿海地区及岛礁的建设,部分地区出现严重的河砂及淡水资源短缺现象,使用海水和海砂来制备混凝土,不仅就地取材节约成本,还能解决由使用淡水和过度开采河砂造成的资源枯竭和环境问题。然而钢筋在海水海砂混凝土中氯离子富集的环境下会加速锈蚀,GFRP(玻璃纤维复合材料)筋因其优异的机械性能和抗腐蚀性,可有效解决钢筋的锈蚀问题,因此GFRP筋-海水海砂混凝土结构拥有良好的应用前景。框架节点是结构在地震耗能中最重要的组成部分,为此,本文以GFRP筋海水海砂混凝土梁柱节点为研究对象,在柱身和节点区采用多螺旋箍筋构造,设计并制作了7个足尺的十字节点试件(按不同轴压比,节点区不同箍筋直径,不同箍筋间距、不同箍筋形式分为4组),通过对节点进行循环往复荷载试验,探讨配置了多螺箍形式的GFRP筋梁柱节点的抗震性能,在实验的基础上,提出GFRP筋海水海砂混凝土梁柱节点抗剪承载力公式,主要研究内容与结论如下:(1)开展了节点区配置有多螺旋箍筋的GFRP筋节点与采用传统复合箍筋的GFRP筋节点的拟静力实验研究,对比分析了两者的抗震性能。与配置传统复合箍形式的GFRP筋节点相比,多螺旋箍筋节点在地震荷载作用下的极限承载力更高、试件残余变形更小、梁纵筋抗滑移性能更优、位移延性系数更高。在本次试验中,两个试件都为梁端弯曲破坏,但在节点区变形方面,配置有多螺旋箍筋的节点要比传统箍筋节点降低66%。(2)通过多螺旋箍G FRP筋海水海砂混凝土梁柱节点在不同轴压比下的拟静力试验,探究了不同轴压比水平对该新型GFRP筋节点抗震性能的影响规律。节点试件所受轴压比的增大可有效提升试件初始刚度与耗能性能,但却会降低试件延性,加剧梁端裂缝发展及试件残余变形。相较于轴压比水平为0.1的试件,轴压比提升至0.3,试件延性系数下降22%。提升试件轴压比水平至0.2、0.3的试件的累积总耗能分别比轴压比为0.1的节点高出72%和131%。(3)探讨了增大节点区多螺旋箍筋直径以及减小节点区箍筋间距对GFRP筋梁柱节点抗震性能的影响。试验结果显示,随着节点区配箍率的增大,节点试件在力学性能、延性、加载中期刚度退化速度、耗能等方面的性能都得到了提升。J5试件(箍筋直径为14mm)最大荷载为67.03k N,J1试件(箍筋直径为12mm)最大荷载为54.93k N,J4试件(箍筋直径为8mm)最大荷载为45.17k N。(4)基于一系列的拟静力试验,探索了GFRP筋海水海砂混凝土梁柱节点的破坏机理与骨架曲线发展趋势。本次试验结果表明,7个试件均属于梁端弯曲破坏,在水平低周反复荷载和竖向轴压力的共同作用下,裂缝首先发展于梁端,随着梁FRP筋受拉变形以及与海水海砂混凝土之间的粘结-滑移,梁上纵向贯穿裂缝延伸扩展严重,受压区混凝土压碎,混凝土保护层剥落,梁端形成“塑性铰”,丧失承载能力。GFRP筋海水海砂混凝土梁柱节点骨架曲线呈“三线形”。在加载中期荷载随着位移加载级的增大而线性增加直至峰值,这有别于钢筋混凝土节点因为有明显的弹塑性变形,骨架曲线会出现屈服平台,而对于FRP筋来说,由于FRP筋属于线弹性材料,所以在此时骨架曲线还近似于一条直线。(5)基于中国《混凝土结构设计规范》中的节点抗剪承载力公式,本文修正了梁对节点的约束影响系数,引入了GFRP筋与海水海砂混凝土的粘结退化系数,提出了适用于GFRP筋海水海砂混凝土梁柱节点抗剪承载力公式。经对比分析,计算值与试验值吻合较好。
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