CFRP约束受损混凝土圆柱的轴压力学性能研究

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由于材料老化,自然灾害等的影响,给大量的混凝土结构带来了不同程度的损坏甚至破坏,每年用于修复的费用数额巨大,因此对混凝土的加固修复受到国内外学者广泛关注。碳纤维增强复合材料,简称CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer)由于其轻质高强,耐腐蚀和施工方便等优点,在航空航天领域有多年的应用历史,近年来,随着CFRP材料价格的大幅下降,其在土木工程加固领域的应用得到迅速的发展。CFRP约束混凝土柱是CFRP加固混凝土结构中一个比较重要的应用,CFRP约束混凝土柱可以恢复或者提高混凝土柱的强度和变形能力,但是目前大部分研究都是集中在普通混凝土在正常条件下的力学性能研究,所提出的模型也是适用在混凝土结构没有损伤破坏的前提下的加固的依据,对于受损后的混凝土结构的修复加固研究很少,目前还没有一个适用的应力-应变关系模型可以作为指导CFRP加固受损混凝土结构设计的理论依据。本文通过对CFRP约束高温受损混凝土圆柱和CFRP约束轴压受损混凝土圆柱的单轴抗压试验,重点研究不同的温度损伤和不同的轴压损伤程度以及不同的约束量对CFRP约束混凝土的力学性能的影响,对比现有的研究成果,探讨CFRP约束受损混凝土柱的约束机理,对现有的强度模型和应变表达式做出修正,提出适用于CFRP约束受损混凝土的强度模型和应变计算公式。主要研究内容如下:(1)通过电炉对每组3个共36个标准高强混凝土圆柱体试件进行高温处理,得到不同高温损伤的试件,然后用CFRP约束加固进行单轴抗压试验,分析不同温度对素混凝土外观的影响,分析不同温度损伤和不同包裹层数对CFRP约束高温受损混凝土的破坏形态,抗压强度,轴向和环向应变以及应力-应变曲线的影响,试验结果表明,高温损伤后高强混凝土的抗压强度有大幅下降,但包裹了CFRP明显提高高温损伤混凝土柱的抗压强度。与常温混凝土相比,包裹了相同CFRP层数高温损伤混凝土柱的抗压强度仅相差3%-6%,不同约束量对CFRP约束高温损伤高强混凝土的强度和延性的提高与CFRP约束普通混凝土有所差别,包裹层数越多,强度和延性的提高越大。(2)通过压力试验机对C40和C70两个强度等级共54个标准圆柱体试件进行轴压损伤处理,得到不同损伤程度的圆柱体试件,然后用CFRP约束加固进行单轴抗压试验,分析不同损伤程度和不同包裹层数对CFRP约束轴压受损混凝土的破坏模式,强度,应变以及应力-应变关系的影响,试验结果表明,混凝土的不同损伤程度对CFRP约束混凝土的轴压性能有很大影响,CFRP约束作用对不同损伤程度的混凝土的强度和延性都有不同程度提高,在三层CFRP约束作用下,与CFRP约束未损伤混凝土相比,CFRP约束损伤混凝土的强度仅降低了2.7%-3.8%,损伤混凝土的强度基本能恢复到损伤前的状态,但由于损伤造成的裂缝对混凝土强度和刚度的影响,损伤混凝土的强度不能完全恢复到未损伤前的强度,CFRP包裹层数越多,强度和延性的提高越大;但在低约束量时,高损伤程度混凝土试件的强度提高值低于低损伤程度混凝土试件,在高约束量时,损伤对约束混凝土的影响减小,高损伤程度的混凝土试件的强度提高值高于低损伤程度混凝土试件。(3)根据已有的研究成果,混凝土的强度,CFRP的刚度和强度是影响CFRP约束混凝土应力-应变关系曲线的关键参数,通过对现有的强度模型和应变计算公式分析,并结合本试验数据,用线性回归分析的方法对模型的参数做出修正,得到CFRP约束高温损伤混凝土的强度模型和应变计算公式,CFRP约束轴压受损混凝土的强度模型和应变计算公式,模型与试验结果对比分析表明,本文的模型和应变计算公式与试件结果吻合较好。
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