钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土柱受压性能研究

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钢筋混凝土结构在建筑工程领域应用最为广泛。但处于恶劣侵蚀环境下的钢筋混凝土结构常常过早破坏,其主要原因是结构内部钢筋的锈蚀。FRP筋混凝土结构可以较好的解决这一问题。但FRP筋混凝土结构延性差,挠度和裂缝大,表现为脆性破坏。钢-连续纤维复合筋(Steel-FRPComposite Bar,简称SFCB)是一种以普通钢筋为内芯,外包纵向连续纤维的新型纤维增强复合材料,具有强度高、延性好、稳定的二次刚度和优异的耐腐蚀性等优点。将SFCB运用到混凝土结构中可以很好的解决钢筋混凝土结构中耐久性不足的问题。本文用SFCB代替普通钢筋形成钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土柱,并对其进行静力受压试验。再结合理论分析和ABAQUS软件模拟,研究偏心距、长细比、配筋类型(SFCB/钢筋/FRP筋/FRP筋和钢筋混合配筋)、配筋率和SFCB内芯钢筋与外包纤维截面面积比(As/Af)对SFCB混凝土柱承载能力、裂缝、挠度和破坏形态等方面的影响。论文的主要研究成果如下:(1)对SFCB进行受拉和受压试验,发现SFCB受压时力学性能与受拉时力学性能相差较大,计算和模拟时不能将受拉和受压区SFCB视为拉压等强等刚。给出了可供构件分析计算的SFCB材料受拉、压本构模型。(2)轴心受压作用下:SFCB混凝土柱的极限承载力比钢筋混凝土柱大,比BFRP筋混凝土柱小。(3)偏心受压作用下:钢筋混凝土柱挠度最小,BFRP筋混凝土柱挠度最大,SFCB混凝土柱介于两者之间,同配筋率下SFCB混凝土柱挠度小于混合配筋混凝土柱;钢筋混凝土柱裂缝宽度最小,BFRP筋混凝土柱裂缝宽度最大,SFCB混凝土柱介于两者之间,同配筋率下SFCB混凝土柱裂缝宽度大于混合配筋混凝土柱;大偏心受压时,钢筋混凝土柱极限承载力最大,SFCB混凝土柱与BFRP筋混凝土柱相接近,同配筋率下SFCB混凝土柱极限承载力小于混合配筋混凝土柱。(4)偏心距、配筋率和长细比对SFCB混凝土柱受压性能的影响规律同钢筋混凝土柱:偏心距越大,侧向变形越大,最大裂缝宽度越大,极限承载力越小:配筋率越大,侧向变形越小,极限承载能力越大,最大裂缝宽度越小;长细比越大,侧向变形越大。(5)本次试验中,As/Af越大,SFCB混凝土柱刚度越大,侧向变形越小。As/Af对SFCB混凝土柱极限承载力和裂缝宽度无明显影响,实际使用过程中可通过调整As/Af满足设计使用要求。(6)纵筋外包BFRP的SFCB混凝土柱与纵筋外包GFRP的SFCB混凝土柱相比,两者柱中最大挠度和极限承载力均相接近。纵筋外包BFRP的SFCB混凝土柱裂缝宽度大于纵筋外包GFRP的SFCB混凝土柱。(7)基于混凝土和SFCB本构模型,推导了 SFCB混凝土柱正截面承载力计算公式,计算值均小于实测值,偏于安全;推导了偏心距增大系数,在使用规范公式计算偏心距增大系数时需引入筋材种类对构件截面曲率的修正系数ξ3;推导的Nu-Mu相关方程与实际相比,取值偏于安全;采用现有规范计算的全过程裂缝偏于安全。(8)用ABAQUS软件模拟的偏心荷载作用下SFCB混凝土柱,发现屈服荷载、纵筋应力状态和混凝土轴向应力与试验相接近。增加模拟了 3种混凝土强度下的SFCB混凝土柱,发现混凝土强度越大,承载力越高,最终挠度越大。增加模拟了一种纵筋外包碳纤维的SFCB混凝土柱,外包CFRP的SFCB因其强度和弹性模量均比外包BFRP或GFRP的SFCB大,导致SFCB外包材料为碳纤维的SFCB混凝土柱承载力比SFCB外包玄武岩或玻璃纤维的SFCB混凝土柱更大。增加模拟了 3种内芯钢筋等级下的S8B30混凝土柱,发现内芯钢筋强度等级越高SFCB混凝土柱抵抗变形能力越强,极限承载力越大。
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