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碳纤维加固技术作为一种新型的、技术含量高的加固方法,已经在土木工程结构加固中开始得到大量的应用,尤其在加固柱、桥墩方面,通过有效约束混凝土的侧向膨胀变形来改善其受压性能,具有很大的研究推广价值和社会经济效益。目前,对纤维约束圆形截面混凝土柱的性能已有较多的研究,我国用纤维加固的混凝土柱大多为方形和矩形截面的,而对纤维加固钢筋混凝土(RC)方柱承压性能的研究相对较少。
本文对现有的加固技术进行了综述,介绍了碳纤维增强塑料(CFRP)在结构加固中应用现状与发展趋势,探讨了碳纤维增强塑料加固结构的优缺点,制作了四组(加固一层的CFRP全包柱、CFRP间距100mm柱、CFRP间距60mm柱以及未加固的对比柱)箍筋@150mm的 RC方柱和一组箍筋@75mm(包裹一层CFRP)的RC方柱,共计15根方柱。通过对方柱的轴压试验,考虑了纤维布间距和箍筋间距的变化对加固后RC柱破坏形态以及加固效果的影响,结果表明:加固CFRP布可以一定程度上限制RC柱裂缝的发展,改善裂缝的分布,且使裂缝的宽度相对较小;加固CFRP布后RC柱的轴压承载力和极限应变都有明显的提高,延性得到改善,其轴压承载力随纤维布加固净间距和箍筋间距的减小而增加,箍筋75mm(包裹一层CFRP)的RC柱的延性最好。
针对纤维布约束混凝土方柱约束原理,通过对比分析纤维约束后的强度模型,对Lam and Teng抗压强度公式进行了修正,其中重点考虑了倒角半径、纤维布不连续包裹对公式的影响,并与他人文献中144根混凝土方柱的试验数据对比分析,发现其有较高的精度;在此修正公式的基础上,理论分析提出了纤维布和箍筋共同约束下钢筋混凝土轴压柱正截面承载力的建议公式,理论计算与本文以及他人文献中13根RC方柱结果对比,发现该公式较偏于安全和精确,为以后施工设计做参考。
最后,建立了纤维布加固RC柱的有限元模型、单元类型和材料本构模型,对本文试验用ANSYS进行了模拟分析,发现模拟计算结果与试验结果较为接近,验证了所建模型的正确性;进而分析纤维加固间距、层数、柱的截面尺寸以及长细比的变化对加固RC柱承载力的影响,分析发现:本文的CFRP布最优加固间距为50mm,极限加固层数为5层,超过极限加固层数,FRP材料利用率较低,应采用其他加固方法;在短柱范围内,柱的长细比对约束后承载力的影响不大,但柱约束后的承载力随着柱截面尺寸的增大而减小,且两者并非线性关系;同时发现用有限元软件对加固构件受力性能的分析,可减少试验工作量和资金费用,对试验的深入研究等都具有重要意义。