套箍加固钢筋混凝土中长柱的试验与理论研究

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套箍是加固钢筋混凝土受压构件的一种有效方法,在工程实践中得到了广泛应用。目前针对短柱加固的研究较多,对中长柱加固理论与方法的研究相对不足。鉴于桥梁及其他工程结构中存在大量中长柱这一实际情况,开展套箍加固钢筋混凝土中长柱的研究具有重要理论价值与应用前景。本文通过充分调研国内外研究现状,开展了钢筋混凝土套箍加固RC中长柱的试验与理论研究,取得的主要成果如下:  (1)通过两组共8个试件的静力破坏试验,分别研究了套箍层对钢筋混凝土轴压、偏压中长柱的极限承载力提升效果及加固构件的破坏过程、破坏特征和破坏机理。试验结果表明:套箍层对柱子的极限承载力提升效果非常显著,加固后柱子的承载力可以实现成倍增长,对于轴压柱,长细比越大,加固效果较为明显,对于偏压柱,长细比和偏心率越大,加固效果较为明显;加固后的构件全截面应变分布符合平截面假定,构件横向挠曲变形符合正弦曲线分布规律。  (2)利用有限元分析软件ANSYS,对开展的模型试验进行了数值模拟计算分析。通过与试验结果进行比较分析,验证了有限元计算结果的可靠性。然后进一步用有限元分析结果对加固构件的受力性能进行了研究,研究结果表明:新老混凝土结合面最可能发生粘结失效的区域在加固构件端部附近;对轴压加固柱,当一阶段荷载水平β<0.7时,β对加固柱的极限承载力基本没影响,当β>0.7时加固柱的承载力开始随β的增大而减小;受β的影响,偏压加固柱主要发生两种破坏极限状态;当β>0.7时,偏压加固柱的极限承载力随β的增大而明显降低。  (3)采用切线模量理论,根据材料的本构关系和内外力平衡条件,推导了套箍加固RC轴压中长柱的弹塑性稳定承载力计算方法。在此基础上研究了几种参数对加固柱弹塑性稳定承载性能的影响,研究结果表明:当一阶段荷载水平β<0.7时,加固柱的承载力变化不明显,β>0.7后,承载力随β的增大而有所减小;长细比l0/b对加固柱的承载力影响明显,随着l0/b增大,加固柱的承载力在逐渐降低;加固柱的承载力随套箍层混凝土强度等级的提高而增大;加固柱的承载力随着套箍层配筋量的增大而增大。根据稳定系数的本质含义,研究了套箍层的混凝土强度和配筋量对加固柱稳定系数φ的影响,结果表明:l0/b≤8时,各种状态下的稳定系数φ变化不明显,等于或接近于1;l0/b>8时,在长细比一定时,随着套箍层混凝土强度提高,φ有所降低,φ随着套箍层配筋量的增大有所提高。根据上述研究结果,给出了加固柱稳定系数φ的确定方法。  (4)根据试验和有限元研究结果,基于相应的假定条件,分析了二次受力状态下加固截面受压区混凝土极限压应变的发生位置,定义了套箍加固RC偏压中长柱的两种主要破坏极限状态,对极限状态下的大小偏心相对界限受压区高度进行了分析。推导了加固柱的纵向变形协调方程,釆用变形控制法,以柱跨中截面为破坏控制截面,对加固构件的二阶效应进行了非线性全过程分析。分析表明非线性分析结果和试验结果总体上吻合较好。非线性方法进行的参数分析结果表明:在偏心距一定时,加固柱的最大附加变形fmax随长细比的增大而呈抛物线增大的趋势;在长细比一定时,fmax随偏心距的增大而基本呈线性增大的趋势;fmax随一阶段荷载水平β的提高而增大;fmax随套箍层混凝土强度等级提高而减小。推导了二阶效应的简化计算公式即偏心距增大系数的计算公式。通过分析加固截面混凝土及钢筋的实际应力分布状态,得出了承载力计算的实用方法。  (5)通过对套箍加固RC中长柱的工程应用关键技术展开研究,提出了套箍层混凝土材料、粘结界面处理、柱子端部加强和套箍层的混凝土保护层厚度的加固设计建议和构造措施。
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