高性能CFRP筋增強(qiáng)混凝土柱受壓及抗震性能的研究.pdf

1、國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究認(rèn)為用纖維增強(qiáng)聚合物筋(FRP筋，F(xiàn)iber Reinforced Polymer Tendon)取代鋼筋用于增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是解決鋼筋銹蝕行之有效的方法，它不但可以解決由于鋼筋腐蝕引起的混凝土耐久性問(wèn)題，而且滿(mǎn)足某些結(jié)構(gòu)的特殊使用要求，如抗電磁干擾要求。近年來(lái)，關(guān)于FRP筋的研制及FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究已逐漸成為了土木工程界的熱點(diǎn)之一，并且這種新型結(jié)構(gòu)已開(kāi)始在沿海地區(qū)的結(jié)構(gòu)工程中、城市地鐵工程中得到應(yīng)用。然而，至今還沒(méi)有

2、相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，因此，對(duì)FRP筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的性能及應(yīng)用技術(shù)研究已是十分迫切。 由于FRP筋的受壓性能不如其受拉性能，并且國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP筋受壓性能及FRP筋混凝土柱性能的研究還非常少。因此，本文將重點(diǎn)開(kāi)展CFRP筋的受壓性能及CFRP筋混凝土柱受力性能及抗震性能的試驗(yàn)研究和理論分析，提出CFRP筋增強(qiáng)混凝土柱的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法。 FRP筋受壓性能的測(cè)試較困難，至今還沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)研究給出

3、了一種新的洲試方法，分別測(cè)試了兩種CFRP縱筋在正常使用環(huán)境下和人工海水浸泡環(huán)境下的受壓和受拉性能。采用本文測(cè)試方法測(cè)得的CFRP筋材料性能數(shù)據(jù)能更真實(shí)地反映CFRP筋的實(shí)際受壓性能。 為了開(kāi)展全CFRP筋混凝土柱的研究，即混凝土柱的縱筋和箍筋均采用CFRP筋，本次研究專(zhuān)門(mén)研發(fā)了一種新型的CFRP箍筋和一種新型CFRP縱筋，經(jīng)測(cè)試其材料性能已達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的要求。 通過(guò)5根CFRP筋混凝土矩形柱的軸心受壓試驗(yàn)，研究了這

4、種新型混凝土柱的受力特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了CFRP縱筋的配筋率及CFRP箍筋間距對(duì)柱承載力的貢獻(xiàn)及影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP筋混凝土軸心受壓柱首先發(fā)生混凝土壓碎破壞，在混凝土被壓碎之后如繼續(xù)加載，則CFRP箍筋或縱筋可能發(fā)生破裂或破斷。CFRP縱筋對(duì)其承載力提高有一定的貢獻(xiàn)，但可利用的強(qiáng)度有限；CFRP箍筋間距較密時(shí)，對(duì)承載力有利，但當(dāng)超過(guò)一定范圍后，對(duì)承載力的影響可以忽略?；谠囼?yàn)研究的結(jié)果，對(duì)CFRP筋混凝土軸心受壓柱進(jìn)行了較深入的受壓

5、全過(guò)程分析，探討了CFRP筋混凝土軸心受壓柱的承載力計(jì)算方法及構(gòu)造要求。采用本文方法得到的試件承載力理論值與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。此外，在已有鋼筋箍筋和外貼CFRP布約束混凝土矩形柱的研究基礎(chǔ)上，對(duì)CFRP箍筋約束混凝土的受力機(jī)理及約束性能進(jìn)行了較深入的分析。 通過(guò)14根CFRP筋混凝土矩形柱的偏心受壓試驗(yàn)，考察了配筋率、混凝土強(qiáng)度、偏心距和長(zhǎng)細(xì)比等參數(shù)對(duì)其受力性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP筋混凝土偏心受壓柱具有較高的承載力和較

6、好的變形恢復(fù)性能；以混凝土壓碎為破壞模式的CFRP筋混凝土偏心受壓柱，在破壞前有明顯的預(yù)兆。 由于CFRP筋與鋼筋材料性能的差異，現(xiàn)有的鋼筋混凝土偏心受壓柱的計(jì)算理論不能直接用于CFRP筋混凝土偏心受柱的設(shè)計(jì)計(jì)算。在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出了CFRP筋混凝土偏心受壓柱的承載力計(jì)算理論、設(shè)計(jì)方法。給出了用破壞模式和CFRP筋的受力狀態(tài)作為承載力計(jì)算的分界點(diǎn)的承載力計(jì)算方法，并用界限配筋率作為CFRP筋混凝土柱最小配筋率的限制條件。

7、 分析了CFRP筋混凝土柱截面承載力M<,u>-N<,u>關(guān)系曲線(xiàn)的特征及其影響因素；分析結(jié)果表明，M<,u>-N<,u>曲線(xiàn)形態(tài)受配筋率、長(zhǎng)細(xì)比、偏心率及CFRP筋材料性能等因素影響，不一定出現(xiàn)類(lèi)似于鋼筋混凝土柱的大、小偏心界限破壞點(diǎn)，它有可能出現(xiàn)多個(gè)分界點(diǎn)，這是CFRP筋混凝土柱與鋼筋混凝土柱明顯的不同之處。并通過(guò)參數(shù)分析，給出了這些分界點(diǎn)的簡(jiǎn)便確定方法。 由于鋼筋混凝土柱考慮二階效應(yīng)對(duì)承載力影響的計(jì)算方法不適用地于CF

8、RP筋混凝土柱，因此，通過(guò)對(duì)CFRP筋混凝土偏心受壓柱進(jìn)行全過(guò)程的受力分析和二階效應(yīng)影響參數(shù)的分析，研究了各個(gè)參數(shù)對(duì)其側(cè)向撓度的影響，并建議用偏心距增大值考慮二階效應(yīng)對(duì)其承載力的影響，給出了偏心距增大值的計(jì)算公式。用該方法計(jì)算試件承載力，其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。并針對(duì)CFRP縱筋材料性能的特點(diǎn)，分析了CFRP筋混凝土偏心受壓柱截面內(nèi)CFRP筋受力狀態(tài)與偏心率的關(guān)系，探討了截面內(nèi)CFRP筋應(yīng)力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法和經(jīng)濟(jì)配筋率。 此外，

9、通過(guò)4根CFRP筋混凝土柱的低周反復(fù)擬靜力試驗(yàn)，研究了CFRP筋混凝土柱的抗震性能及模擬受震損傷并經(jīng)修復(fù)后的CFRP筋混凝土柱的抗震性能，考察了軸壓比和CFRP筋體積配箍率對(duì)CFRP筋混凝土柱抗震性能的影響。重點(diǎn)分析了試驗(yàn)構(gòu)件的柱頂水平荷載與相應(yīng)位移的滯回曲線(xiàn)、變形性能、耗能性能、承載力退化和剛度退化等。較深入地分析了CFRP筋混凝土柱的骨架曲線(xiàn)，給出了建議的恢復(fù)力模型及其相應(yīng)的計(jì)算方法，基本掌握了CFRP筋增強(qiáng)混凝土柱的抗震性能。