论文部分内容阅读
钢管约束混凝土拱架在施工时,由于存在自重较大、施工搬运困难等缺点,使其在某些条件比较差的巷道环境中难以展开应用。为此,本课题研发了一种新型CFRP约束混凝土拱架,并开展了 CFRP约束混凝土试件的轴压、偏压和纯弯试验,将试验数据规律与钢管约束混凝土和模袋碳纤维约束混凝土进行对比;以室内试验所测得的数据为参数,开展了数值模拟试验,得出多因素影响下的应力应变变化规律;依据室内试验和数值模拟试验所得出的变形规律,分析CFRP约束混凝土在不同荷载条件下的工作机理,并进行试件的承载力计算理论研究,取得了相关结论。(1)CFRP约束混凝土拱架构件轴压承载特性对比研究在轴压作用荷载下,CFRP约束混凝土的极限荷载承载力为1850kN,轴压试验结果表明:CFRP的约束作用不仅可以提升核心混凝土在受轴压时的承载力性能,而且可以显著改善混凝土破坏时的形态。对比其他约束形式混凝土,CFRP约束混凝土的极限承载力高于模袋碳纤维约束混凝土,低于钢管约束混凝土;通过分析不同约束形式混凝土的应变值群落分布,发现约束材料的应变特性与约束混凝土的整体应变特性之间具有显著的相关性。依据轴压室内试验和材性试验数据设置模拟参数,建立数值模拟试验,数值模拟结果表明:CFRP的约束层数和混凝土强度等级可以显著提升试件的极限轴压承载力,当CFRP约束层为6、9层时,轴压承载力比约束层数为3层时分别提层升了 3 7.8%、73.9%;当混凝土等级增加到C40、C50时,轴压承载力比C30混凝土分别提升了 13.6%、27.1%。依托室内试验和数值模拟试验中所掌握的变形规律,提出CFRP约束混凝土轴压承载力理论模型,模型分析表明:CFRP的层数与试件的极限承载力正相关;混凝土半径R越大,混凝土内部的应力数值越小,但混凝土的弹性模量E1对试件的内部应力数值不会产生明显的影响。(2)CFRP约束混凝土拱架构件偏压承载特性对比研究在偏压荷载作用下,CFRP约束混凝土的极限荷载承载力为910.2kN,其承载力高于模袋碳纤维约束混凝土,低于钢管约束混凝土。CFRP主要通过对受拉区混凝土的补强作用来提升试件的极限承载力,通过对各截面上的应变数据分析发现:CFRP约束混凝土试件中部受压侧应变数值大于受拉侧,受压侧和受拉侧的轴向应变平均增长速率分别为中性侧的4.39倍和2.52倍,而环向应变平均增长速率分别为中性侧的1.92倍和0.57倍;对比钢管约束混凝土和模袋碳纤维约束混凝土,CFRP约束混凝土和钢管约束混凝土皆为受压区混凝土压碎破坏,而模袋碳纤维约束混凝土则为受拉区混凝土拉裂破坏;CFRP约束混凝土的轴向应变增长要比钢管约束混凝土更为线性,钢管约束混凝土达到屈服阶段后塑性变形特征较为明显。依据偏压室内试验和材性试验数据设置模拟参数,建立数值模拟试验,数值模拟结果显示:当CFRP约束层为6、9层时,偏压承载力比约束层数为3层时分别提层升了 71.56%和120.59%;当混凝土等级增加到C40、C50时,偏压承载力比C30混凝土分别提升了 20.4%、26.2%;当偏心率从0.2分别增加到0.4和0.6时,试件的峰值荷载分别降低约10.5%、31.5%。根据室内试验和数值模拟试验所得出的CFRP和混凝土的变形规律,提出CFRP约束混凝土偏压承载力理论模型,理论分析结果表明:CFRP的厚度h增加可以显著提升试件的极限承载力,且对混凝土中性轴的偏移有显著影响,中性轴向受拉区的偏移角随CFRP厚度增加而增大。(3)CFRP约束混凝土拱架构件抗弯承载特性对比研究在纯弯荷载作用下,CFRP约束混凝土的极限荷载为64.25 kN·m,高于模袋碳纤维约束混凝土,低于钢管约束混凝土。三者的的最大轴向应变发生在截面下部的受拉区,CFRP约束混凝土拉压应变比为1.637;钢管约束混凝土拉压应变比为2.15;模袋约束混凝土拉压应变比为11.34。以拉压应变比为主要指标,提出表征约束构件补强性能的补强系数,对比得出CFRP的补强性能明显优于钢管和模袋碳纤维。依据偏压室内试验和材性试验数据设置模拟参数,建立纯弯数值模拟试验,数值模拟结果显示:当CFRP约束层为6、9层时,纯弯极限承载力比约束层数为3层时分别提升了 57.1%、105.7%;当混凝土等级增加到C40、C50时,纯弯极限承载力比C30混凝土分别提升了 25.5%、36.4%。依托室内试验和数值模拟试验所得出规律,提出CFRP约束混凝土纯弯承载力理论计算模型,理论计算结果表明:随着CFRP约束层数的增加可有效提升试件的极限弯矩,且两者大致呈线性相关,即CFRP约束混凝土在受纯弯荷载作用时,CFRP构件的补强作用对提高试件极限承载力起主导作用。(4)不同荷载作用下CFRP约束混凝土承载特性对比研究在不同加载条件下,CFRP与其他类型约束混凝土的承载性能也存在较为明显的差异。在轴压荷载作用下,CFRP约束混凝土为钢管约束混凝承载力的68.5%,为模袋碳纤维约束混凝土的113.3%;在偏压荷载作用下,CFRP约束混凝土与钢管约束混凝土承载力为钢管混凝土承载力的96.3%,为模袋碳纤维约束混凝土的169.7%;而在纯弯荷载作用下,CFRP约束混凝土仅为钢管约束混凝承载力的42.9%,为模袋碳纤维约束混凝土的569.9%。