CFRP片材-ECC复合加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究

作     者：苏艳丽 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张普

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：CFRP片材 ECC FRP-ECC复合加固 抗弯性能 承载力计算模型 

摘      要：我国现存大量老旧建筑物,由于服役年限过长,老化现象严重,结构强度和耐久性能往往得不到满足。因此,对现存在的老旧建筑物进行修复与加固已成为迫切需要解决的问题。纤维增强复合材料(FRP)具有轻质高强、耐久性和耐疲劳性能良好等优异的力学性能。目前,外贴FRP片材的加固技术在实际加固工程中应用尤为广泛。然而,试验研究及工程应用中发现片材加固过程中裂缝处加固层两侧会形成内力差,引起两者的粘结失效,导致跨中纯弯段的FRP剥离。针对这一问题,本文在FRP片材加固混凝土梁中引入超高延性混凝土(ECC)作为过渡层,利用ECC优异的控裂能力以及应变硬化特性,有效抑制混凝土层的裂缝发展,减小界面应力集中现象,从而延缓FRP片材剥离甚至改变片材加固梁的破坏模式。本文将两种新型材料碳纤维增强复合材料(CFRP)与ECC结合应用于加固结构中,开展了两组加固梁的抗弯性能试验研究,包括CFRP板-ECC复合加固混凝土梁以及CFRP布-ECC复合加固混凝土梁。基于现象分析以及理论研究,建立了 CFRP片材-ECC复合加固混凝土梁的承载力计算模型。本文主要内容及结论如下:(1)利用国产聚乙烯(PE)纤维和本地原材料制备全国产化PE-ECC,并且通过材性试验测试其拉、压力学性能。通过配合比优化设计,最终制备出具有良好的拉伸性能的全国产PE-ECC,其极限拉伸应变值可以达到6%左右,该配合比PE-ECC作为后续研究中钢筋混凝土梁的加固材料。(2)对CFRP板-ECC复合加固钢筋混凝土梁抗弯性能展开研究,对比分析了不同加固方式、碳纤维板宽度、以及基体类型对加固梁抗弯性能及加固效果的影响,并给出加固效果最好的基体类型。此外,全过程分析了加固梁的特征荷载值、裂缝发展、挠度分析、破坏模式、以及CFRP的应变分布等的变化规律。研究结果表明,相比于未加固梁,CFRP板-ECC复合加固梁具有较高的承载力和较小的延性。PE-ECC基体与CFRP片材复合加固梁表现出了良好的抗弯性能。(3)对CFRP布-ECC复合加固钢筋混凝土梁抗弯性能开展研究,加固基体类型选用PE-ECC,研究参数为不同的碳纤维布层数。试验结果表明,使用PE-ECC作为过渡层不仅可以有效延缓片材的剥离,甚至可以改变其破坏模式。当使用一层碳布进行加固时,复合加固梁在达到极限荷载时,FRP片材断裂,表明片材利用率大大提高。(4)对比分析不同类型的片材对钢筋混凝土梁的加固效率。试验结果表明,CFRP布与ECC复合加固具有较好的抗弯性能。相比于CFRP板复合加固梁,CFRP布复合加固梁的开裂荷载和极限荷载分别提高了 23.3%和20.3%,碳纤维布利用率提高了 130.4%。(5)通过对CFRP片材-ECC复合加固混凝土梁受弯性能进行全过程理论分析,分两种情况对复合加固梁的承载力计算模型进行了理论推导。对于发生弯曲破坏的加固梁,基于混凝土梁抗弯承载力理论推导出的理论值与试验值高度吻合,而对于发生中部剥离破坏的加固梁,采用陆新征模型能够很好地预测剥离承载力。