CFRP网格-聚合物水泥砂浆(PCM)加固RC梁抗剪机理及承载力计算方法研究

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CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)网格作为一种性能优异的新型混凝土结构加固材料,相较于传统的CFRP材料具有轻质高强、耐腐蚀、耐久性能优异、施工便捷和纵横向网格双向受力等优点。CFRP网格-聚合物水泥砂浆(Polymer Cement Mortar,PCM)加固混凝土结构是将CFRP网格采用高压喷射的PCM固定在混凝土结构表面,实现CFRP网格-PCM加固层与混凝土结构共同受力的一种加固方法。采用CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁被证实是一种优于传统RC梁抗剪加固的方法,具有广阔的应用前景。为了能够最大限度地发挥CFRP网格的材料性能优势,达到最佳的加固效果,关键在于阐明CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁中各组分材料的受剪作用机理。鉴于此,本文以四点加载CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁为研究对象,在已完成的CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁的试验研究基础上结合有限元分析方法,以揭示CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁的受剪机理和建立CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁的承载力计算方法为研究目的,从CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁受力性能的试验研究、基于有限元模拟的受力性能影响因素分析、CFRP网格与钢筋协同工作性能和相互作用分析、受剪分析模型研究、FRP网格的有效应变确定以及承载力计算方法建立等方面展开了一系列研究。主要研究工作包括:(1)基于四点加载试验研究了CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁的受力性能。将箍筋、纵向钢筋和CFRP网格-PCM加固层的配置模式作为变化参数对三根试验RC梁进行了四点加载,分析了纵向钢筋、箍筋和CFRP网格筋的受力性能,初步探讨了CFRP网格在CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁中的受力行为以及CFRP网格与钢筋之间的协同工作性能。研究结果表明,纵横向CFRP网格筋的作用机理分别类似纵向钢筋和箍筋,由于格点的抵抗作用导致CFRP网格筋上应力分布不均匀,横向CFRP网格筋在受拉区和受压区承受相反方向的PCM侧向挤压作用,受力状态复杂;CFRP网格和钢筋之间存在协同工作问题。(2)采用ABAQUS/Standard软件模拟分析了CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁的受力性能。首先,基于前期已完成的CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁的四点加载试验,建立了有限元模型并通过试验结果与有限元模拟结果的对比分析验证了模型的准确性;然后,对23根CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁进行了有限元模拟,研究了CFRP网格间距、横截面积、力学性能、剪跨比、混凝土强度、PCM强度和厚度以及配箍率对CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁受力性能的影响;最后,系统分析了CFRP网格与钢筋之间的协同工作性能和二者之间的相互作用。研究结果表明,有限元模型有较高的准确性,能够被使用来预测CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁的受力性能,CFRP网格与钢筋之间具有良好的协同工作性能,二者在受力过程中存在着相互作用,导致CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁的受剪机理更加复杂。(3)建立了CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁的受剪机理模型和承载力计算方法。首先,对12个CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁和3个未加固RC梁进行了有限元模拟,综合分析了考虑纵向CFRP网格筋以及CFRP网格与钢筋协同工作时二者的相互作用对CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁受剪机理产生的影响;然后,基于对CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁受力性能影响最为显著的参数(CFRP网格的配筋率和弹性模量、混凝土强度以及剪跨比)进行回归分析,获得了横向CFRP网格的有效应变,且对比分析了纵横向CFRP网格筋的有效应变关系;最后,在前述研究的基础上建立了CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁的承载力计算方法并通过与既有方法的比较分析验证了本文提出的方法的适用性和准确性。研究结果表明,纵向CFRP网格筋的影响不能忽略,横向CFRP网格筋分担了约16%的箍筋应变,基于改进的桁架-拱模型和网格有效应变理论提出的CFRP网格-PCM抗剪加固RC梁承载力计算方法相较于既有方法具有更高的准确性和适用性。
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