CFRP-补偿收缩混凝土复合加固混凝土短柱在冻融环境下的轴压力学性能研究

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直接粘贴FRP进行加固的钢筋混凝土结构在荷载作用下表现出明显的应力滞后问题,导致加固材料不能得到充分利用。CFRP与补偿收缩自密实混凝土(ESCC)形成的复合加固可以通过对CFRP筒施加预张拉应力消除应力滞后问题,使试件一承受荷载环向CFRP就立即发挥约束作用,但此复合加固能否应用于工程实际中经受冻融损伤的柱子以及加固效果如何鲜有研究。结合以上背景,在辽宁省自然科学基金计划项目(项目编号:2021-MS-129)的资助下,本文对不同工况下CFRP-补偿收缩混凝土复合加固混凝土受压短柱试件的力学性能进行了研究,主要研究工作及结论如下:(1)冻融损伤混凝土短柱复合加固后的轴压力学性能试验研究和理论分析对32个经受冻融循环损伤后的混凝土短柱试件进行加固处理并通过轴压试验研究其力学性能,试验变量包括冻融循环次数、CFRP筒层数和混凝土加固层类型。试验结果表明冻融环境下混凝土的损伤是一个渐进过程,冻融50次损伤试件的动弹性模量损失率为5.9%,质量损失率为0.4%;冻融循环为125次时,混凝土受压构件的动弹性模量损失为24.8%,质量损失率为5.3%。从加固件的力学性能来看,复合加固体系能完全补偿冻融损伤造成的承载力降低问题。采用单层CFRP筒加固时,补偿收缩自密实混凝土加固件(EC)比普通自密实混凝土加固试件(NC)的环向应变小,轴向应变损失和极限承载力损失多。而采用双层CFRP筒加固时,尽管EC的强度略低于NC,但其延性损失和极限承载力损失均较小。引入冻融损伤因子对已有的力学计算模型进行了理论修正,修正后的模型对标准化的峰值应力和峰值应变均能较好的预测,误差范围分别在13.73%和23.69%以内。(2)复合加固混凝土短柱在冻融环境下的力学性能试验研究和理论分析完成加固后的结构仍将在原不利环境中继续服役,为研究加固件整体继续经历冻融循环损伤后的力学性能,设计24个预制CFRP筒-混凝土加固试件,在经历125次、250次冻融循环后对其进行轴压力学试验。试验结果表明冻融循环对CFRP的极限拉伸强度影响较小,但极限拉伸应变却大幅降低。采用补偿收缩混凝土作为加固层的试件(EC)承载能力要优于使用普通混凝土的试件(NC),使用2层CFRP预制筒进行加固的效果要明显优于1层。但随着冻融次数的增加,使用CFRP层数多的加固件极限承载能力下降的幅度也随之变大。从延性来看,预制CFRP层数或者加固层混凝土种类未改变加固件的延性系数随冻融次数增加而减小的趋势。此外,对加固试件标准化峰值应力、标准化峰值应变进行理论修正后取得了较高的吻合度。(3)预载冻融损伤混凝土短柱复合加固后的轴压力学性能试验研究和理论分析为研究预制CFRP筒-补偿收缩混凝土复合加固对经历不同冻融循环次数核心预载混凝土短柱承载能力和变形特性的影响,采用1层和2层CFRP筒-补偿收缩混凝土复合加固对经历预载冻融耦合损伤的混凝土短柱进行加固后测试其轴压性能。结果表明采用CFRP-补偿收缩混凝土复合加固能有效恢复经历预载冻融耦合损伤混凝土受压试件的承载能力并显著提高其延性,相比未加固的预载损伤混凝土受压试件D0,采用一层和两层CFRP筒进行加固的受压试件轴压承载力分别提高了24.99%和133%。在核心预载混凝土柱经历125次冻融损伤后,1层和两层CFRP加固试件的极限承载能力仍比对照组D0提升15.18%和66.13%。但加固件的轴压承载能力和相应的变形特性仍与核心预载混凝土受压构件经历的冻融次数有关,核心混凝土受压试件经历的冻融次数越多,加固后的试件极限承载能力和轴向、环向峰值应变越低。与核心短柱未经历冻融的加固件相比,经历125次冻融损伤后,1层CFRP加固混凝土受压试件的极限承载能力和轴向、环向峰值应变分别降低58.38%、13.54%、7.747%,2层CFRP加固件降低59.04%、23.75%、18.50%。在试验研究基础上,本文提出预载冻融耦合损伤因子对加固件的峰值应力和峰值应变模型进行修正,二者理论值与试验值的误差范围在15.29%和12.23%以内,吻合度较高。
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