CFRP-PVC螺旋筋复合约束自密实混凝土力学性能研究

作     者：许瑞天 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈宗平

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：CFRP-PVC管 螺旋筋 轴压性能 低周反复性能 自密实混凝土柱 有限元分析 承载力计算 

摘      要：随着科技和人文发展,社会对建筑物的承载能力和耐久性提出了更高要求,特别是沿海城市,空气、地下水、地基中的腐蚀离子对建筑物的耐久性有着巨大的侵害,长久以来,钢筋混凝土结构的耐久性问题一直是工程界关注的重点。碳纤维材料(CFRP)和聚氯乙烯(PVC)材料具有良好的耐腐蚀性,将其包裹在结构外部,不仅可以作为浇筑模板,还可以提高约束效应和耐腐蚀性,不论从经济效益还是结构性能方面都具有着天然的优势。对于FRP-PVC复合管约束混凝土结构的研究,目前国内外集中于研究素混凝土结构,而对于内部配螺旋筋的构件研究较少,螺旋筋作为一种便于绑扎且约束效应良好的配筋形式,其与CFRP-PVC外包管复合约束混凝土的力学性能鲜见研究。基于此,本文为研究CFRP-PVC-螺旋筋复合约束自密实混凝土柱的力学性能(轴压、低周反复),以螺旋筋间距、螺旋筋直径和高径比为变化参数,观察了试件受力破坏全过程及破坏形态,获取了轴向应力-应变全过程曲线、滞回曲线、骨架曲线等关键曲线;深入分析了各变化参数对其力学性能的影响规律。在此基础上,使用ABAQUS有限元软件进行了约束机理分析和拓展参数分析,数值模拟结果与试验结果吻合较好,并分析了各拓展参数对极限承载力的影响。最后根据Richart约束模型提出CFRP-PVC-螺旋筋复合约束自密实混凝土柱极限承载力计算方法,分别计算了试验试件和有限元试件。主要研究成果如下:(1)完成了9根CFRP-PVC-螺旋筋复合约束自密实混凝土柱的轴心受压试验。结果表明:螺旋筋间距越大,延性越差;螺旋筋直径对承载力影响不大;高径比在7.5到9之间时试件力学性能较好。通过试验及有限元分析,得到了CFRP-FRP管与螺旋筋复合约束自密实混凝土的约束机理,并建立了复合约束模型和对应的轴压极限承载力计算方法,对CFRP-PVC螺旋筋复合约束自密实混凝土柱的工程应用有一定指导意义。(2)完成了9根CFRP-PVC-螺旋筋复合约束自密实混凝土柱的低周反复试验,结果表明:此类结构滞回曲线呈饱满的弓形,具有较好的吸收地震能量的能力,低周反复性能良好,而正负向滞回曲线并不对称,正向峰值承载力约为负向的2倍;随着螺旋筋直径的增加、螺旋筋间距减小、剪跨比减小,试件峰值承载力随之增加;各试件的刚度退化曲线基本一致,螺旋筋直径对抗侧刚度退化影响不大,螺旋筋间距越大、剪跨比越大则试件抗侧刚度退化越明显;各试件等效粘滞阻尼系数呈先减小后增大的趋势,耗能能力逐渐增强,试件初始等效粘滞阻尼系数逐渐降低;随着螺旋筋直径的增加,试件延性系数先减小后增大,螺旋筋直径为10mm时CFRP-PVC螺旋筋约束自密实混凝土柱的低周反复性能最好,满足规范要求;随螺旋筋间距的增加,试件延性随之减小,试件高度为800mm试件的延性均在3以上,具有较好的低周反复性能;随剪跨比增大,试件延性先增大后减小,剪跨比为4.62的试件延性最好。(3)使用ABAQUS有限元软件对试验试件进行有限元分析,计算结果与试验结果吻合较好,深入分析约束机理发现试件破坏顺序为:CFRP-PVC、纵筋、螺旋筋。有限元拓展参数分析表明,试件承载力随螺旋筋间距增加、纵筋直径减小、CFRP层数减少而减小,但随核心混凝土面积波动变化,最优核心混凝土面积占比为80%。总体而言,CFRP-PVC管的存在使得试件达到峰值前有明显的预兆,螺旋筋的存在使得试件在破坏后有较大的塑性变形,满足了构件有较好耗能能力的要求。