纤维编织网增强混凝土(TRC)加固损伤混凝土柱约束模型及轴压、抗震性能研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:yangyujie309
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混凝土柱作为建筑物中重要的承重和抗侧力构件,一旦出现严重损伤则可能会危及人类生命和财产安全。在“双碳”政策的大环境下,对损伤混凝土柱进行修复加固不仅能够提高其安全性和使用性,而且也具有重要的现实意义。纤维编织网增强混凝土(textile reinforced concrete,TRC)是由纤维编织网和细粒混凝土组成的一种水泥基复合材料,因其轻质、高强、耐腐蚀等优点而在修复加固领域具有良好的应用前景。目前关于TRC加固损伤RC柱的研究较少,因此本文采用物理试验、数理统计和理论分析相结合的方法,从材料和构件两个层次,对TRC加固混凝土柱的力学和抗震性能进行了研究。主要研究内容和结论如下:(1)分析了TRC约束未损伤混凝土在单调轴向荷载下的损伤演化规律,明确了加固层数、混凝土强度以及截面形状等因素对TRC约束未损伤混凝土力学性能的影响。结果表明:约束混凝土的峰值应力和峰值应变随着TRC约束层数的增加而增大,圆形截面的约束效果最好;当混凝土截面形状相同时,随着混凝土强度的提高,约束混凝土的峰值应力和峰值应变的提高幅度减小,TRC的约束作用减弱。(2)基于统计分析结果,明确了TRC约束混凝土应力-应变曲线具有硬化和软化特性,强约束混凝土具有应变硬化特性,弱约束混凝土具有应变软化特性,分析了TRC约束系统的失效机理,揭示了TRC约束系统在不同截面下的工作机制,进而通过对Sargin模型的修正,给出了一个新的可用于描述TRC约束混凝土应力-应变曲线关系的封闭数学表达式;进一步,基于统计数据对既有混凝土的强弱约束判定模型进行了评估,并修正了强弱约束的临界限值,本文建议修正后的约束比(modified confinement ratio,MCR)取值为0.045;通过建立TRC约束混凝土的强度模型和轴向应变模型,给出了面向设计的TRC约束混凝土应力-应变统一本构模型,该模型能够较好地反映混凝土强、弱约束的情况。(3)通过TRC约束损伤混凝土的轴压性能研究,明确了TRC约束损伤混凝土的破坏模式,分析了预加载水平和加固层数对TRC约束损伤混凝土的抗压强度、轴向变形能力以及能量耗散的影响规律,结果表明:与损伤未加固试件相比,随着TRC约束层数的增加,TRC约束损伤混凝土的轴向抗压强度和相应的轴向应变均呈现增加的趋势,约束混凝土的耗能和变形能力增强,当混凝土损伤程度较小时提升更加显著。进一步,给出了混凝土损伤评价指标,并基于TRC约束未损伤混凝土的应力-应变本构模型,考虑了预加载对混凝土强度的影响,引入损伤因子,给出了约束损伤混凝土的强度模型和应变模型,进而得到TRC约束损伤混凝土的应力-应变本构模型并定量评估了模型的预测精度。(4)分析了预加载水平、TRC层数以及长细比在轴向单调荷载下对TRC加固效果的影响规律,明确了TRC加固损伤RC柱的损伤演化规律和失效机理。结果表明:在相同加固量下,随着预加载水平的提高,TRC加固损伤RC柱的承载能力呈减小的趋势;与损伤未加固试件相比,随着TRC约束层数的增加,TRC加固损伤RC柱的承载能力和变形性能增强;随着长细比的增大,TRC加固损伤RC柱的轴向峰值应变和极限应变均呈减小的趋势。当预加载水平不超过峰值荷载时,可采用3层TRC使RC柱恢复到初始承载力水平。进一步,在TRC约束损伤混凝土强度模型的基础上,建立了考虑纵筋、箍筋以及TRC作用的约束损伤RC柱的强度模型,同时给出了考虑TRC与箍筋双重约束作用的应变模型,进而构建了TRC约束损伤RC柱的应力-应变本构模型。(5)分析了加固柱TRC加固定量损伤RC柱在低周往复加载下承载力、刚度、变形以及耗能累积的变化规律,明确了定量损伤下加固层数、轴压比、剪跨比以及箍筋间距对TRC加固损伤RC柱抗震性能的影响规律,揭示了加固柱的损伤演化机理和失效破坏机制。试验结果表明:TRC加固能够减小损伤RC柱的塑性铰区长度,改善大轴压比和小剪跨比试件的破坏形态;大轴压比、小剪跨比试件的屈服荷载和峰值荷载提高,试件的变形能力较弱,达到峰值荷载后刚度退化快,试件破坏时累积耗能较少,抗震性能较差;箍筋间距较小时,加固柱的滞回曲线饱满,耗能能力增强,刚度退化较慢,变形能力强;与未损伤未加固RC柱相比,随着加固层数的增加,损伤RC柱经TRC加固后承载能力能够恢复到其初始水平,刚度略有增大,耗能能力和延性得到显著提升。(6)基于本文建立的TRC约束损伤混凝土的应力-应变本构关系,通过截面性能分析,讨论了退化三线型骨架曲线上特征点(屈服点、峰值点和破坏点)的计算方法,明确了恢复力模型的滞回规则,从而建立了TRC加固损伤RC柱的恢复力模型。结果表明提出的恢复力模型与试验曲线吻合较好。该论文共有图112幅,表31个,参考文献224篇。
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