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CFRP-PVC螺旋筋复合约束自密实混凝土力学性能研究

CFRP-PVC螺旋筋复合约束自密实混凝土力学性能研究

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作者：许瑞天广西大学

学位级别：硕士

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)... 详细信息

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。

关键词： 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

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