CFRP带载约束加固混凝土圆柱轴压力学性能试验研究

论文摘要

CFRP片材因具有高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、无磁性、施工便捷等优点,在过去的几十年里已广泛应用于钢筋混凝土结构的修复加固,CFRP约束混凝土柱由于混凝土处于三向受压状态,能大大提高混凝土柱的抗压强度和延性,因此目前针对CFRP约束加固混凝土柱的研究已广泛开展,并取得了丰硕的成果,然而现有的研究绝大部分都是针对未带载的新浇混凝土结构,而对带载约束混凝土的研究还处于开始阶段,对于带载可能引起的约束加固混凝土柱性能的变化还不甚了解,鉴于混凝十构件在加固前不能完全卸载而需要进行带载加固的工况,本文对四组共29根混凝土圆柱进行了CFRP带载约束的试验研究和相关的理论分析。考虑到带载过程中CFRP片材需要相对较长的养护时间,而常用的液压加载设备如液压千斤顶不能长时间保持荷载,本文设计了两套能长期保持恒定荷载的加载装置,另外为加快试验进度还针对100mm直径混凝土柱增加了两个100吨机械千斤顶,对四组试件进行了不同带载应力水平下不同截面尺寸的CFRP约束素混凝土和钢筋混凝土圆柱的两阶段（未约束混凝土预加荷载阶段和CFRP约束混凝土加载阶段）轴心抗压试验研究,并在试验的基础上具体详细地分析了带载应力水平、截面尺寸以及配筋对约束柱极限承载力、破坏形态和延性带来的影响。试验结果表明：CFRP约束极大地提高了混凝土柱承载力和延性,但CFRP约束混凝土柱的破坏由于以脆性材料CFRP的拉断为标志仍表现为明显的脆性；随着带载应力水平从0增加到0.85,CFRP带载约束混凝土圆柱的极限承载力先提高后降低,从提高到降低转变处的带载应力水平本文估计在0.7左右；CFRP带载约束混凝土圆柱的极限轴向应变随着带载应力水平的提高先增大后减小,而极限膨胀比随着带载应力水平的提高先减小后增大,变化趋势的转折均发生在带载应力水平等于约束比时。论文结合试验结果比较分析了一些现有FRP约束混凝土的极限轴心抗压强度模型、极限轴向压应变模型、膨胀比模型以及纵向应力—应变模型,再根据试验结果,在CSAS806-02极限抗压强度模型的基础上,通过引入所谓的“剩余强度”概念提出了考虑带载影响的FRP约束加固混凝土的极限抗压强度模型,同时结合极限膨胀比试验数据回归出的带载约束混凝土极限膨胀比影响因子,在Teng等人、Lam和Teng针对未带载提出的模型基础上,提出了相应的极限轴压应变模型、膨胀比模型和纵向应力—应变模型,提出的模型都很好的吻合了本文的试验结果。最后针对带载约束混凝土柱提出了相应的设计建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 混凝土结构加固方法介绍
• 1.3 FRP加固技术的发展与研究现状
• 1.3.1 FRP复合材料
• 1.3.2 FRP加固技术的特点
• 1.4 国内外FRP约束混凝土柱研究现状及成果
• 1.4.1 国外主要研究成果
• 1.4.2 国内主要研究成果
• 1.4.3 考虑带载对FRP约束柱力学性能影响的研究
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 CFRP带载加固混凝土圆柱轴压力学性能试验方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 试件准备
• 2.2.1 试验柱编号和分组
• 2.2.2 实验柱的截面尺寸和配筋
• 2.3 材料性能试验
• 2.3.1 混凝土强度
• 2.3.2 钢筋力学指标
• 2.3.3 CFRP布材力学指标
• 2.3.4 环氧树脂力学指标
• 2.4 试件加固方案
• 2.5 加载装置
• 2.6 加载方案
• 2.7 测点布置及数据采集
• 2.8 试验中应注意事项
• 第三章 CFRP带载加固混凝土圆柱轴压力学性能试验结果
• 3.1 破坏现象描述
• 3.1.1 未约束素混凝土柱
• 3.1.2 直接约束素混凝土柱
• 3.1.3 直接约束钢筋混凝土柱
• 3.1.4 带载约束素混凝土柱
• 3.1.5 带载约束钢筋混凝土柱
• 3.2 轴向极限承载力
• 3.2.1 带载应力水平对轴压承载力的影响
• 3.2.2 钢筋对极限轴压承载力的影响
• 3.2.3 截面尺寸对极限轴压承载力的影响
• 3.3 荷载—应变曲线分析
• 3.3.1 150mm直径素混凝土柱
• 3.3.2 150mm直径钢筋混凝土柱
• 3.3.3 100mm直径素混凝土柱
• 3.3.4 100mm直径钢筋混凝土柱
• 3.4 轴向应变—横向应变曲线分析
• 3.5 极限应变和极限膨胀比分析
• 3.6 本章小结
• 第四章CFRP带载加固混凝土圆柱轴压力学性能分析
• 4.1 CFRP约束机理分析和典型受力性能
• 4.2 CFRP约束混凝土圆柱的受力过程与破坏模式
• 4.3 CFRP约束混凝土的抗压强度模型
• 4.3.1 CFRP直接约束混凝土分析
• 4.3.2 CFRP带载约束混凝土分析
• 4.4 膨胀比模型
• 4.4.1 横向膨胀的特点
• 4.4.2 极限膨胀比
• 4.4.3 膨胀比模型
• 4.5 轴向应力—轴向应变关系
• 4.5.1 极限轴向应变
• 4.5.2 轴向应力—应变关系模型
• 4.6 设计建议
• 4.6.1 材料参数和工作应力状态估算
• 4.6.2 CFRP带载约束加固钢筋混凝土柱设计
• 4.6.3 正常使用极限状态验算
• 4.6.4 算例
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 符号变量表
• 附录B FRP布材力学性能测试方法
• 附录C 试验装置设计详图
• 附录D 各应变片对应荷载—应变曲线
• 附录E 正常使用极限状态验算Matlab程序
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢