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混杂FRP及其加固腐蚀混凝土柱抗震性能试验与理论研究

李建辉  
【摘要】: 腐蚀问题是目前混凝土结构领域面临的世界性难题之一,而FRP(Fiber Reinforced Polymer)复合材料由于具有耐腐蚀、轻质、高强、施工方便等突出优点,在腐蚀结构抗震加固领域具有广阔的应用前景,但单一FRP变形能力不足制约了其发展,混杂技术是解决以上问题的有效途径。因此,选取具有良好延性的混杂FRP(Hybrid FRP, HFRP)对腐蚀混凝土柱进行抗震加固具有重要的工程实际和理论意义。本文从试验、理论和设计方法三方面较系统地研究了HFRP及其加固腐蚀混凝土柱的抗震性能,主要研究内容包括: (1)为了制备优异综合性能的HFRP复合材料,首次提出了碳纤维(Carbon FRP, CFRP)/芳纶纤维(Aramid FRP, AFRP)/玻璃纤维(Glass FRP, GFRP)三种纤维混杂思路。完成了11个不同纤维种类、碳纤维相对体积含量、铺层方式的HFRP复合材料试件的单轴拉伸试验,并通过11根混凝土梁抗弯试验进一步验证HFRP加固混凝土结构的效果。在材料研究的基础上,建立了简单、实用的HFRP复合材料强度模型。研究表明:CFRP/AFRP/GFRP混杂FRP复合材料具有良好的混杂效应和加固效果,混杂效应系数可达0.647。 (2)由于建立HFRP约束混凝土应力-应变曲线模型是进行结构抗震加固设计及其加固效果评价的前提,本文在试验和已有成果的基础上,建立了新的HFRP约束混凝土应力-应变曲线模型,该模型使用轴向、横向和体积应变来衡量约束混凝土的内部损伤,以体现HFRP变约束力对被约束混凝土微观损伤的影响,从而使模型简化且具有明确的物理含义;同时,该模型采用了更能真实体现约束效应的割线模量,并且引入依赖于混凝土本身特性的割线模量软化系数进行计算。 (3)正确评估FRP加固腐蚀钢筋-混凝土粘结性能是评价FRP加固腐蚀结构效果的首要问题,本文通过96个试件的拉拔试验,研究了不同钢筋种类、不同保护层厚度、不同腐蚀率、不同FRP约束下腐蚀钢筋-混凝土粘结性能,并建立了简单的腐蚀钢筋粘结-滑移模型。结果表明:当钢筋腐蚀率小于5%时,影响试件峰值粘结强度的主要影响因素是钢筋种类、混凝土保护层厚度;FRP约束对试件峰值粘结强度影响较小,但对减缓粘结应力下降速度,维持粘结应力较为有效。 (4)完成了10根CFRP/AFRP/GFRP层间混杂FRP布加固腐蚀混凝土柱在低周反复荷载下的抗震性能试验,分析了各柱强度、刚度、变形、累积耗能以及损伤的发展规律,探讨了钢筋腐蚀、轴压比、配箍率等因素对柱整体抗震特性的影响,揭示了HFRP加固腐蚀混凝土柱在反复荷载作用下的失效机制。结果表明:CFRP/AFRP/GFRP层间混杂FRP布可以显著改善腐蚀柱的抗震性能,累积耗能最大可提高12.5倍。 (5)根据CFRP/AFRP/GFRP层间混杂FRP布加固腐蚀混凝土柱抗震性能试验结果,在完好钢筋混凝土构件截面分析和Clough滞回规则的基础上,建立了HFRP加固腐蚀混凝土柱恢复力模型,该模型率先引入钢筋粘结-滑移模型来考虑腐蚀对钢筋-混凝土粘结界面的影响。并且提出了HFRP加固腐蚀混凝土柱基于位移性能的抗震设计方法,该方法简单、适用,且精度较好。这将为HFRP加固腐蚀混凝土柱抗震性能评估和设计提供指导作用。 本文的主要创新点如下: (1)建立了新的HFRP约束混凝土应力-应变曲线模型。该模型使用轴向、横向和体积应变来衡量约束混凝土的内部损伤,以体现HFRP变约束力对约束混凝土内部损伤的影响,从而使模型简化且具有明确的物理含义。同时,采用了更能真实体现变约束效应的割线模量。 (2)完成了10根HFRP加固腐蚀混凝土柱在低周反复荷载下的抗震性能试验研究。首次提出了碳/芳纶/玻璃三种纤维混杂思路,该混杂布具有较高延性。分析了各腐蚀混凝土柱在低周反复荷载作用下的强度、刚度、变形、累积耗能以及损伤的发展规律。同时,试验研究了FRP加固腐蚀钢筋-混凝土粘结性能,为理论分析提供了试验数据。 (3)提出了HFRP加固腐蚀混凝土柱恢复力模型及抗震设计方法。在完好钢筋混凝土构件截面分析和Clough滞回规则的基础上,建立了HFRP加固腐蚀混凝土柱恢复力模型,该模型率先引入钢筋粘结-滑移模型来考虑腐蚀对钢筋-混凝土粘结界面的影响。并且提出了HFRP加固腐蚀混凝土柱基于位移性能的抗震设计方法。 总之,本文所研究的CFRP/AFRP/GFRP混杂FRP布抗震加固新方法能显著改善腐蚀混凝土柱的抗震性能,其施工工艺简便,在腐蚀结构抗震加固领域具有广泛的应用前景。


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