新型FRP-UHPC组合筋增强混凝土柱轴压性能研究

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纤维增强复合材料(Fibre-reinforced polymer,简称FRP)筋作为增强混凝土(Reinforced concrete,简称RC)结构中钢筋的替代品,已经越来越受欢迎。然而,由于纤维受压易屈曲,FRP筋的抗压性能远远低于其抗拉性能,FRP筋作为RC柱纵筋的应用十分有限。为了提高FRP筋的抗压性能,一种新型组合筋已被提出,其由外FRP管、中心FRP筋及两者之间填充的不含有粗骨料以及钢纤维的超高性能混凝土(UHPC)组成(以下简称新型FRP-UHPC组合筋或组合筋)。在该组合筋中,中心FRP筋的纤维微屈曲以及整体屈曲都受到周围水泥基材料和外FRP管的约束,FRP筋的抗压能力可得到合理利用。为了进一步检验组合筋的合理性和可靠性,本文对新型FRP-UHPC组合筋增强混凝土柱(简称HBRCC)进行了较为系统的试验研究。在该类型增强混凝土柱中,FRP螺旋筋(或FRP管)可对内填混凝土提供约束,提高了增强混凝土柱的承载力;同时与FRP筋相比,组合筋在提高受压构件承载力方面具有更大的潜力。本文主要包括以下几个部分:(1)第2章对新型FRP-UHPC组合筋的轴压、剪切性能进行了试验研究。研究了FRP管纤维缠绕角、FRP管纤维类型、FRP管厚度以及中心FRP筋直径等参数对组合筋轴压性能的影响,以及对组合筋的剪切性能进行了初步研究。研究结果验证了FRP管约束UHPC和中心FRP筋处于良好的协同工作状态,组合筋的平均轴向应力-应变行为表现为类似于钢的弹塑性行为或屈服后应变硬化行为;组合筋具有良好的抗剪承载力。(2)第3章是在第2章的试验基础上建立了新型FRP-UHPC组合筋的轴向应力-应变关系理论模型。该模型考虑了所有组分(FRP约束UHPC、FRP管和FRP筋)的贡献。首先对现有的三段式UHPC约束模型进行修正;其次建立了FRP管处于双轴受力状态下的FRP管约束UHPC试件的轴向载荷-应变模型;然后提出了一种多段式模型以模拟组合筋中心FRP筋的轴向应力-应变关系;最后基于加权平均定律,提出了组合筋的轴向应力-应变关系理论模型。(3)第4章对18个组合筋或FRP筋增强混凝土柱进行了轴压试验,研究变量包括纵向配筋类型(组合筋或FRP筋)、FRP螺旋筋间距、外约束装置类型(FRP螺旋筋或FRP管)和外FRP管的类型及厚度。研究结果表明,由于UHPC对组合筋的贡献,HBRCC的承载力高于对应的FRP筋增强混凝土柱(简称FBRCC)的承载力,但两种柱的变形能力均较好。与FRP筋相比,组合筋对FRP螺旋筋大间距(即局部屈曲)的敏感性较低,有望成为低强度RC柱或没有足够外部约束柱的理想纵向配筋。(4)第5章提出了玻璃纤维复合筋(GFRP筋)增强混凝土柱(简称GFRP-RC柱)/HBRCC柱轴向荷载-应变全曲线模型。通过一个新建立的包含63个GFRP-RC圆柱轴压试验结果的数据库对6个现有的GFRP螺旋筋约束混凝土模型和3个FRP条带约束混凝土模型的性能进行了评估,包括对FRP螺旋筋(或环筋)约束混凝土的约束机理详细分析,以及适当确定了GFRP-RC柱中FRP纵筋的应力-应变关系。总结了现有的FRP-RC柱轴向承载力模型,并提出了一个新的面向设计的GFRP-RC柱轴向荷载-应变全曲线模型,该模型考虑了约束混凝土芯、FRP纵筋和混凝土保护层三部分的行为。最后基于GFRP螺旋筋约束混凝土模型和第3章的组合筋轴向应力-应变模型,提出了HBRCC柱的轴向荷载-应变全曲线模型。研究结果表明,两个模型均能较好地模拟GFRP-RC/HBRCC柱的轴向荷载-应变行为。
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