FRP加固局部腐蚀钢管约束混凝土短柱轴压试验研究

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钢管约束混凝土结构作为钢管混凝土结构的一个重要分支,其具有承载力高、延性好、与钢筋混凝土框架梁连接方便、易于施工等优点,已在实际工程中得到了广泛应用。然而,钢管约束混凝土结构中的外钢管也存在着与其他金属结构一样的材料缺陷,并且在结构的防腐涂层受损或者脱落后,外钢管直接暴露在空气中,极易发生局部腐蚀。这些局部腐蚀会削减外钢管的约束作用,缩短结构的使用寿命,形成安全隐患。而FRP(纤维复合增强聚合体)材料既可以提高结构的抗腐蚀能力又能满足对结构加固的要求,它可以弥补局部腐蚀导致外钢管约束作用降低的影响。故本文采用机械开缝的方式模拟外钢管的局部腐蚀,考虑45mm和90mm两种腐蚀长度以及0°、45°和90°三种腐蚀角度以及不加固、用CFRP(碳纤维)加固腐蚀处和用GFRP(玻璃纤维)加固腐蚀处三种加固类型这三种参数,对三种设计强度下的钢管约束混凝土轴压短柱进行试验研究和数据分析,主要结论如下:(1)所有试件的破坏类型均为剪切破坏,剪切面的位置会因腐蚀长度和角度而发生变化,FRP布的破坏模式均为沿开缝形成的纵向或者斜向撕裂破坏,混凝土强度基本不影响试件的破坏形态。局部腐蚀钢管约束混凝土试件的极限承载力和混凝土强度呈正相关,和腐蚀角度呈负相关,而用FRP加固后试件的极限承载力和混凝土强度呈正相关,但随着腐蚀角度的增大CFRP加固试件的极限承载力会越来越大,GFRP加固试件则相反。局部腐蚀钢管约束混凝土试件的纵向应变略大于环向应变,对于应变的增长速率,所有试件都随混凝土强度的增大而减小。(2)局部腐蚀钢管约束混凝土试件的荷载-位移曲线在下降阶段混凝土强度越高,承载力下降速率越快,下降的幅度越大,并且腐蚀类型为DV(D和R分别表示腐蚀的长度为90mm和45mm,H、O和V分别表示腐蚀的角度为0°、45°和90°)和DO的试件承载力下降较为迅速,而无腐蚀、腐蚀类型为DH和RH的试件则相反。局部腐蚀钢管约束混凝土试件的残余承载力和腐蚀角度呈负相关,残余率和混凝土强度也呈负相关。所有试件的延性系数均和混凝土强度呈负相关,并且局部腐蚀会不同程度的降低试件的延性,在用FRP加固后试件的延性系数大体上有所提升,并且提升幅度大体上和混凝土强度呈负相关,并且CFRP加固试件的延性系数和腐蚀长度呈正相关。(3)用FRP加固钢管腐蚀处,可以有效地弥补因腐蚀损失的承载力。对于腐蚀类型为DH、RH和RO的试件,GFRP的加固效果大体上优于CFRP;而对于腐蚀类型为DO、DV和RV的试件,CFRP的加固效果优于GFRP。GFRP布在腐蚀长度为45mm时对腐蚀试件产生的约束效果略强于CFRP,而在腐蚀长度为90mm时,则相反。在用FRP材料加固局部腐蚀试件会增大其峰值位移,CFRP加固试件增大程度大于GFRP加固试件;并且用FRP材料加固局部腐蚀试件可以提高其延性。(4)局部腐蚀钢管约束混凝土试件的强度提高系数以及混凝土强度增强系数均大于1,且均随着腐蚀角度的增大而降低。FRP加固后试件的强度增强系数大体上大于1,CFRP加固试件强度增强系数和腐蚀角度呈正相关,并且在腐蚀长度为45mm时和混凝土强度呈负相关;而GFRP加固试件强度增强系数在腐蚀长度为90mm时和腐蚀角度呈正相关。最后在试验和分析的基础上,提出了预测局部腐蚀钢管约束混凝土单轴受压的应力-应变关系表达式以及FRP加固局部腐蚀钢管约束混凝土轴压承载力计算公式。
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