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碳纤维混凝土力学性能试验与理论研究

刘洪涛  
【摘要】:碳纤维混凝土(简称:CFRC)是将一定掺量、一定长度的碳纤维加入到混凝土中而形成的具有多种功能的复合材料。伴随着我国建筑结构的快速发展,人们对建筑材料提出了更高的要求。CFRC具有良好的抗拉、抗渗等基本力学性能,优异的力电效应,压敏性能,同时对混凝土的裂缝也有一定的延缓作用,引起了人们的广泛关注。在国外一些国家(如巴格达、美国)已将CFRC用于工程实践,而我国科研和工程应用较少。为此本文采用试验研究、理论分析和有限元模拟的方法,研究CFRC的基本力学性能,应力-应变曲线以及CFRC梁的抗弯性能、CFRC柱的轴压力学性能。主要内容有: 通过掺加不同碳纤维掺量的混凝土试块抗压强度试验,研究其破坏形态,极限荷载,轴向变形以及最佳掺量。通过有关数据推导了CFRC劈裂抗拉强度与碳纤维掺量、抗压强度的表达式。 通过不同碳纤维掺量的混凝土的轴压试验,建立了本构关系模型,研究其应力-应变曲线的模型系数、峰值应变与碳纤维掺量的关系,通过试验得到不同碳纤维掺量下应力-应变曲线的上升段,并应用已有的研究成果得到了下降段,同时拟合了碳纤维体积率与应力-应变曲线系数的关系式,提出了本模型所使用的限制条件。 通过对CFRC受弯构件试验,研究其受力性能、破坏形态、跨中挠度、平截面应变等,通过对不同碳纤维长度、配箍率等变化参数的对比分析,表明碳纤维可以延缓混凝土受拉开裂,可以适当的提高跨中梁的挠度值。在试验分析基础上,提出了CFRC梁受弯开裂承载力计算公式。使用有限元软件模拟了混凝土梁的受力全过程以及裂缝的开裂过程,并得到了混凝土梁荷载对跨中挠度的影响曲线。 通过对CFRC柱的轴心受压试验,研究其受力性能、破坏形态、纵向变形、横向应变、碳纤维长度对混凝土柱开裂荷载的影响以及不同位置应变的变化曲线。试验表明,碳纤维可以延缓混凝土的开裂,并且随着纤维长度增加,其阻裂效果先增强后降低,并且混凝土柱不同位置的应变受碳纤维长度的影响。使用有限元软件对混凝土柱的受力过程、裂缝开展过程进行模拟,得到混凝土柱的纵向变形与荷载的关系曲线。。


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