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斜向水平荷载作用下碳纤维布增强钢筋混凝土框架柱的试验研究及有限元分析

陈恒超  
【摘要】:在碳纤维布加固混凝土结构技术的研究中,对斜向水平荷载作用下碳纤维布 加固混凝土框架柱的双向抗剪性能与抗震性能的研究还无人问津。而实际上在地 震区,钢筋混凝土框架柱在地震荷载作用下,将在构件的两个主轴方向上同时受 到地震作用,因此对此问题的研究意义重大。 本文通过四个碳纤维布增强混凝土框架柱的双向水平低周往复荷载作用破 坏试验,研究了碳纤维布增强混凝土框架柱的开裂、变形、受力破坏机理、失效 模式、抗震性能等,提出碳纤维布增强混凝土框架柱双向抗剪承载力的计算公式, 并用有限元的方法对其进行分析,为以后的研究和设计提供依据和技术参考。 基于试验研究发现,碳纤维布提高构件斜截面承载力的作用机理与箍筋类 似,碳纤维的存在使得钢筋混凝土框架柱由脆性剪切破坏变为延性较好的弯曲破 坏。荷载-位移滞回曲线为倒 S 形,存在“捏缩”现象。随着加载角度从 0 到 90 度的增大,构件的耗能性能越来越差。与未包碳纤维的构件相比较,粘贴碳纤维 布不仅能提高钢筋混凝土柱的开裂荷载和极限承载能力,而且还可以提高混凝土 柱的抗震性能。 通过对已有的各种单向受剪力学模型的分析和研究,基于已有的研究成果, 提出了碳纤维加强钢筋混凝土框架柱双向受剪的受力理论模型——双向桁架— 拱理论,采用该理论的分析计算结果与试验数据的对比表明,该理论具有很好的 适用性和理论价值。基于试验结果回归得到钢筋混凝土框架柱双向偏心受压承载 力满足曲线特征系数为 3 的类椭圆方程。 本文基于塑性理论,采用“混合模型”对碳纤维布增强钢筋混凝土框架柱进 行了斜向水平荷载作用下的三维非线性有限元分析。采用参数化程序设计语言 (APDL)编制命令流对 Ansys 进行二次开发,对碳纤维加强钢筋混凝土框架柱在 斜向低周反复荷载作用下的受力性能进行非线性有限元全过程分析。采用该程序 所获得的计算结果与试验结果相比吻合良好,从而验证了本文分析方法的有效 性。


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