新型钢-FRP复合筋活性粉末混凝土防护框架梁受弯性能研究

作     者：宗耀锋 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：葛文杰;姚山

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：防护结构 框架梁 钢-FRP复合筋 活性粉末混凝土 受弯性能 

摘      要：防护结构需要承受巨大的冲击荷载,导致构件的截面尺寸较大,占用使用面积,传统的钢筋混凝土结构很难在保证结构净高和施工方便的前提下提高结构承载力。钢-FRP 复合筋(Steel-FRP Composite Bar,SFCB)以及活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)是土木工程领域极具应用前景的高性能建筑材料。SFCB具有自重轻、抗拉强度高、二次刚度稳定等特点,RPC具有抗压强度高等特点,用SFCB增强RPC,可形成一种新型配筋水泥基结构,在不增加截面尺寸和配筋率的前提下,提高结构的承载力,实现防护工程的大空间。本文对不同混凝土类型、不同筋材类型和不同配筋率的防护框架梁进行等效静力受弯试验,研究SFCB-RPC防护框架梁的受弯性能。对SFCB-RPC防护框架梁进行受力阶段分析;推导防护框架梁刚度和纯弯段最大裂缝宽度计算公式,与试验结果对比;分析SFCB-RPC框架梁塑性内力重分布情况。利用ABAQUS建立了防护框架梁的有限元模型,进行受弯性能分析,并与试验结果对比,验证了模型分析正确性和可行性;分析了各影响因素对SFCB-RPC框架梁受弯性能的影响。本文的主要研究成果如下:(1)RPC改善了框架梁的破坏模式,压碎时仍保持完整。RPC提高了框架梁的承载能力,明显提高了 SFCB-RPC框架梁极限荷载与屈服荷载的比值。荷载相同的情况下,RPC提高了框架梁抵抗变形的能力;在极限状态下,SFCB-RPC框架梁的极限承载力和极限挠度相对钢筋RPC框架梁均有所提高;对于RPC框架梁,FRP筋RPC框架梁承载力最大,对于普通混凝土框架梁,钢筋混凝土框架梁承载力最大;随着配筋率减小,框架梁极限荷载减小,变形能力提高。在各级荷载下,各框架梁梁端和跨中截面混凝土沿截面高度的平均应变基本呈线性变化,符合平截面假定。SFCB-RPC框架梁破坏时,SFCB拉应变超过0.017,RPC达到极限压应变,SFCB和RPC的材料强度得到充分发挥。RPC减小了平均裂缝间距,使框架梁裂缝变得细而密,减小了裂缝开展对筋材应变的影响;筋材类型对弯剪段裂缝数量和平均间距影响较大;随着配筋率减小,裂缝数量增多,间距减小,相同荷载下最大裂缝宽度增大。RPC明显改善了框架梁的延性和耗能能力,且随着配筋率减小,框架梁延性和耗能能力也有所提高;SFCB-RPC框架梁耗能能力优于钢筋RPC框架梁。(2)基于材料的本构模型和各基本假定,对SFCB-RPC框架梁各受力阶段进行分析。通过换算截面法将SFCB和RPC开裂后的钢纤维换算成RPC材料面积,再利用有效惯性矩法求得截面的刚度。参考混凝土结构设计规范,并考虑钢纤维受拉对最大裂缝宽度的影响,推导出纯弯段最大裂缝宽度计算公式。对SFCB-RPC框架梁塑性内力重分布进行分析。(3)混凝土强度对SFCB和FRP筋混凝土框架梁的极限承载力、极限挠度、延性、耗能和曲率均有较大影响;混凝土强度对钢筋混凝土框架梁的极限荷载影响较小,对极限挠度影响较大。随内芯钢筋面积与SFCB全截面面积比值的增大,框架梁荷载-跨中挠度曲线呈三折线的现象越明显,当筋材由SFCB突变为钢筋,框架梁极限曲率发生突变;内芯钢筋屈服强度的增大,提高了框架梁的屈服强度,对极限荷载的影响较小;SFCB外包纤维弹性模量对框架梁破坏类型影响显著,外包FRP弹性模量小于200GPa时,框架梁极限挠度、延性、耗能和曲率均随外包FRP弹性模量的增大而减小。梁端配筋率对极限荷载有较大影响,跨中配筋率对跨中挠度有较大影响,当梁端截面配筋率大于跨中截面配筋率时,框架梁耗能能力有所提高。随着梁高增大,框架梁极限荷载增大,极限挠度降低,当梁高为225mm时,框架梁延性和耗能能力最优;当柱边长超过250mm,增大柱截面积尺寸对极限挠度、延性和耗能能力的影响不明显。在承载力相同的情况下,以RPC替代普通混凝土既能节省框架梁截面面积也能提高框架梁延性和耗能能力。