FRP持载加固混凝土柱理论及数值分析

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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)以其轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳和易于建造的特性而广泛应用于结构加固工程中,对于混凝土圆形截面柱,在轴向荷载作用下FRP约束应力沿圆周均匀分布,力学分析模型简易,所以已有众多学者开展了大量关于FRP约束圆形截面柱轴压性能的研究。然而在实际工程中,为了施工方便,大多数混凝土柱都是方形或者矩形截面。除此之外由于设计需要、施工误差以及地震、风荷载等偶然因素的作用会使混凝土柱除了承受轴向荷载外还会承受不同程度的弯矩作用。随着研究的深入,上述两种因素对于FRP加固混凝土柱力学性能影响的研究也日渐成熟。但更值得注意的是,由于结构服役荷载的存在,FRP加固都是在柱子持载的状态下进行施工的,而这一工程现象被大部分研究者所忽略。因此,开展FRP持载加固混凝土柱理论和数值模拟的研究,对于加固工程的实践具有重要的指导意义。本文的具体研究工作如下:(1)分析持载对于FRP约束混凝土的作用机理,建立一个考虑截面形状、加固形式、持载水平影响因素的FRP约束持载混凝土柱的全面数据库。通过建立的数据库分析比较现有的持载约束混凝土理论,确定持载对于FRP约束混凝土应力-应变关系模型的影响形式,建立FRP约束持载混凝土本构新模型。基于所提的新本构模型,建立考虑FRP纵向加固形式和偏心距影响的FRP持载加固RC柱偏压承载力计算公式,通过文献中相关试验结果验证了理论计算公式的准确性。(2)基于现有的FRP约束混凝土有限元理论,考虑持载的影响,分析拟合得到新的虚拟应力—应变法则从而能够准确刻画约束混凝土本构模型的硬化/软化行为,再结合其他塑性参数的设置进而建立起FRP持载约束混凝土新的有限元模拟方法,并用现存的相关试验数据验证该模拟方法的准确性。利用该有限元方法进行FRP和混凝土部件应力变化过程分析,研究持载对FRP加固混凝土柱受力全过程的影响,对FRP和混凝土之间的相互作用机理得到一个充分的认识。进行混凝土强度、FRP约束刚度、持载水平这三个主要变量的参数分析,确定了上述参数对FRP约束混凝土力学性能的影响。(3)通过提出的FRP持载约束混凝土的有限元模拟方法,进行扩大参数分析,对上述基于试验数据提出的持载约束混凝土峰值应力应变预测模型的准确性进行验证。根据有限元的模拟数据,通过拟合分析提出了考虑持载影响的环向-轴向应变关系,来准确预测FRP持载约束混凝土的膨胀性能。
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