混杂纤维加固混凝土短柱抗压试验分析

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纤维复合材料(Fiber-Reinforced Plastic,亦称为Fiber Reinforced Polymer Materials简称FRP)是一种以碳、玻璃、芳纶等纤维与按一定比例混合而成的环氧树脂胶经高温、凝结、固化而形成的一种高性能复合材料。由于其具有施工周期短、工艺简单、占用空间少、维修费用低、不增加构件截面尺寸等特点,近年来在土木工程加固中得到了广泛的应用。目前,国内外大多专家和学者们主要集中于单一纤维(如碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布等)约束混凝土柱或梁的试验研究中。然而往往单一纤维材料的力学性能存在一定不足,导致加固后的混凝土试件变形性能较差,限制了纤维整体性能的发挥,造成了材料的浪费。如碳纤维抗拉强度高、弹性模量大,但延性较差;玻璃纤维延性好、价格低、但抗拉强度低;芳纶纤维抗拉强度高,韧性好,但价格较高等特点。如何能够科学地评估各纤维材料的力学性能,采取有效的加固补强措施,已成为现今研究的热门课题。目前,有专家研究表明:层间混杂纤维(HFRP)加固混凝土试件是克服以上困难的有效途径,在保证结构承载力和钢度的基础上,既充分发挥了纤维的力学性能,又提高了混凝土结构的延性,降低了成本。因此,本文针对层间混杂纤维加固混凝土短柱抗压承载力进行试验分析。为了充分发挥纤维的优越性,本文采用碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布和层间混杂纤维布对混凝土矩形柱进行加固。完成了24个不同纤维种类,不同纤维层数、不同截面形状和不同加固方式的轴心抗压试验。本文主要研究内容:(1)本文对14根不同纤维约束混凝土柱进行抗压对比分析,试验结果表明:芳纶纤维加固效果最好,碳纤维加固效果其次,玻璃纤维加固效果最差。纤维的加固效果不但与纤维材料本身的抗拉强度有关,而且与纤维的厚度有关。本文完成了4根芳纶纤维约束混凝土柱的试验,试验结果表明:混凝土表面的光滑度对纤维加固效果影响很大,表面越光滑加固效果越好。(2)本文对8根混杂纤维约束混凝土柱进行对比,试验结果表明:混杂纤维能够提高混凝土柱的抗压强度,且加固效果优于单一纤维。其中芳纶纤维与碳纤维混杂加固效果最好、但造价最高、延性最差;芳纶纤维与玻璃纤维混杂加固效果其次、延性最好、造价一般;玻璃纤维与碳纤维混杂加固效果最差、延性一般、造价最低,且最经济合理。(3)本文绘制了混杂纤维荷载—位移曲线和应力—应变曲线。通过应力—应变曲线可以看出纤维对混凝土的约束主要分为三个阶段:弹性阶段,强化阶段和塑性阶段。最后,结合已有的单一纤维约束混凝土矩形柱的强度模型,给出了混杂纤维强度模型,并分别对单一纤维与混杂纤维有效性系数进行了回归。试验对比表明,试验值与实际值吻合良好。
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