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FRP约束混凝土的应力—应变模型及其在加固中的应用研究

敬登虎  
【摘要】: 纤维增强复合材料或塑料(Fiber reinforced polymer or plastics,简称FRP)作为一种新型的补强修复材料,凭借其高强、轻质等优异材料属性,以及施工简便、不增加构件截面尺寸等诸多优点,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。目前国内外关于这方面的研究工作开展的较多,并取得了一些成果,但是仍处于逐步完善的过程,且理论研究的深度远滞后于实际工程应用。本文收集了近几十年来关于FRP约束混凝土的试验研究与分析成果,结合FRP包裹轴心、偏心受压矩形截面柱的试验研究,对FRP约束混凝土的本构关系、FRP约束钢筋混凝土柱的力学性能等进行了较为深入的研究和分析,主要的研究内容和成果如下: 阐述了相对较为典型的FRP约束混凝土圆柱体应力、应变及其对应关系曲线的计算模型,根据收集到的250多个试验构件的试验数据,对峰值点的应力、应变模型进行了比较分析。此外,对未约束混凝土强度等级、侧向约束强度等参数进行了定量分析。 剖析了FRP约束混凝土的机理以及与钢约束的不同之处。通过相关试验数据,发现FRP约束混凝土圆柱体的环向拉应变与水平拉伸极限应变之间存在着较大的差异,认为目前侧向约束强度的取值并不能真实反映其物理意义,并分析了引起该现象的可能原因。鉴于此,提出了新的有效侧向约束强度计算公式。对试验研究得到的FRP约束混凝土圆柱体的应力-应变曲线形状进行分析,总结出简化的多线型曲线能很好地模拟FRP约束混凝土圆柱体的应力-应变关系;基于相关学者提出的侧向膨胀系数的极限值为渐近值的前提,根据有效侧向约束强度、未约束混凝土强度,提出了新的极限侧向膨胀系数的计算公式。通过分析约束混凝土体积应变的发展规律,结合侧向膨胀系数在极限状态下的渐近值,确定强、弱约束判断标准函数的构建模式,根据收集到的试验数据进行整理和分析,给出了强、弱约束的界限值判断公式。根据约束混凝土的应力、应变与荷载路径的相关性分析,得到FRP约束混凝土强度为荷载路径的无关量,而应变为路径相关量。最后给出FRP约束混凝土圆柱体分别在强、弱约束两种情况下控制点的应力、应变计算模型及其关系曲线。对于FRP弱约束情况,由于曲线下降段极限点的不确定性,本文提出了在轴向应变为峰值应变1.9倍对应点设定参考点来确定下降段直线。对已有FRP约束矩形截面混凝土柱的轴向应力、应变及其相应曲线的计算模型进行了比较分析。 阐述了FRP约束矩形截面与圆柱体的不同之处,以及FRP约束矩形截面的自身特点。结合相关试验数据给出了拐角应力集中导致的FRP外包矩形截面时,其拉伸强度削弱系数的计算公式;对于截面形状、长宽比的影响,接受Teng et al.提出的计算公式。综合考虑这些参数影响,提出了等效侧向约束强度、刚度计算公式。基于收集到的试验数据进行整理和分析,提出了强、弱约束的界限值判断公式。最后给出FRP约束矩形截面分别在强、弱不同约束情况下,控制点的应力、应变计算模型和应力-应变曲线计算方程。其中,弱约束情况采取如同约束圆柱体的参考点思路进行。 基于Spoelstra et al.提出的迭代分析模型,对转折点、极限点的应力、应变加以修正。根据本文对FRP约束矩形截面的混凝土力学性能的分析结果以及等效圆的概念,将该分析模型延伸到模拟FRP约束矩形截面混凝土的轴向应力-应变曲线。给出FRP强约束、弱约束无下降段轴向应力-应变曲线流程图,通过与相关试验得到的曲线进行比较,结果表明本文模型模拟曲线与试验曲线吻合的较好,其中FRP约束圆柱体的优于约束矩形截面。 通过对国内外关于FRP约束加固混凝土柱的试验和理论研究成果的分析,在理论上分析探讨了混凝土负荷外包FRP后外包纤维的应变滞后机理。根据目前研究结果以及本文提出的分析模型,分别给出箍筋、FRP约束混凝土后的轴心抗压强度。针对FRP在混凝土负荷情况下包裹约束,提出了滞后因


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