不同约束形式及应用环境下CFRP约束海水海砂混凝土柱的受压性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lx305954308
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鉴于日益匮乏的河砂和淡水资源以及可持续发展的需求,在海工和近海工程中,若直接采用存量丰富的海水和海砂用于混凝土的配制不仅可以解决上述资源匮乏的问题,还能够节约大量的运输成本并有效缩短项目工期,同时考虑到纤维增强复合材料(FRP)具有较高的比强度和良好的耐腐蚀性,因此将FRP与海水海砂混凝土(SSC)相结合便可以有效解决传统钢材的锈蚀问题,因而具有十分广阔的应用前景。尽管目前已有关于FRP约束SSC柱的研究,但现有研究并未涉及不同包裹形式下FRP约束SSC的短期和长期力学性能,而这对于海洋环境而言显得尤为重要。鉴于此,本文将以CFRP约束海水海砂混凝土柱为研究对象,采用试验研究与理论分析计算相结合的方法,对不同约束形式及应用环境下该组合柱受压性能中涉及到的关键问题进行分析与研究。本文的主要研究内容和结论如下:(1)基于试验研究和理论分析,系统讨论了多种试验因素对CFRP条带约束SSC短柱轴压性能的影响,发现海水和海砂的掺入不会显著改变约束试件的力学行为,但由于非约束区的存在,使得试件轴向应力-应变曲线更易出现明显的过渡行为和峰后软化特性。外部FRP条带的净距以及刚度是控制约束混凝土应力-应变关系和膨胀行为最主要的两个因素,减小FRP条带净距比将大幅改善约束试件峰后线性段的斜率,且会提高相应的极限强度和极限应变,特别是当纤维布的层数较多时。同时,增加FRP的层数(刚度)将使核心混凝土的膨胀率减小,且该减小量将随着净距比的增加而逐渐增大。基于试验结果,提出了具有较高精度的横向-轴向应变关系和分析型应力-应变模型。(2)开展了CFRP非均匀约束SSC短柱的轴压性能试验研究。结果表明,与传统的全包及条带约束试件相比,非均匀约束试件的破坏过程呈现一定的层次性,能够为最终的剧烈破坏提供明显的预兆,且非均匀约束试件的纤维应变效率系数要大于相同纤维体积率下的全包柱与条带柱。随着CFRP条带净距比的减小,尽管试件的极限强度增幅更为明显,但核心混凝土沿高度方向横向变形的非均匀性降低,非均匀约束的优势下降。基于试验结果进行理论分析,揭示了非均匀形式的约束机理,统一了不同形式下约束应力的计算方法,并提出了具有更高精度的设计型应力-应变模型和极限强度方程。(3)分析了不同形式CFRP约束SSC短柱在模拟真实海洋环境下长期性能的劣化情况,详细讨论了各组成材料以及约束试件的强度、应变退化规律以及各力学指标间的相关性。结果表明,劣化并未对CFRP的材料性能产生明显影响,而非约束混凝土强度却随劣化时间的增加而逐渐增大,从而导致约束试件的峰值强度及强度增幅保持率呈现出完全不一样的结果。且相比于其他两种约束形式,CFRP条带约束SSC具有更高的极限强度保持率。针对不同的约束形式分别提出了对应的强度劣化系数,并将其带入之前章节提出的强度模型中,得到了适用于劣化状态下约束混凝土的极限强度方程。(4)讨论了中等尺寸CFRP约束环氧涂层钢筋(ECR)-海水海砂混凝土方柱的轴压性能。研究发现,无论约束形式和净距比如何,整个加载过程中,CFRP截面中部应变始终大于角部,且自屈服位移开始,约束形式对CFRP和箍筋应变的影响开始逐渐显现。将CFRP条带布置在箍筋之间能够更加充分地发挥出二者的材料性能,使核心混凝土受到更有效的约束,从而显著改善试件的峰后行为并提高其极限变形能力,但二者的相对位置对极限强度的影响并不大。根据试验结果,提出了全新的极限强度和极限应变计算方程,以及更加简洁的承载力计算公式,验证发现,上述公式均具有较高的精度。(5)研究了CFRP约束ECR-SSC柱在模拟海洋环境下长期力学性能的变化情况。结果表明,随劣化时间的增加,海水海砂混凝土抗压强度呈现出先增加后降低的趋势,而劣化对于环氧涂层钢筋以及CFRP试样表面性状以及主要力学性能指标的影响则并不显著。劣化对于试件荷载-位移曲线的影响主要体现在峰值荷载与峰后行为上,但外部FRP约束的存在能够在一定程度上弥补由于上述因劣化产生的负面影响。相对于全包约束形式,条带约束柱在整个劣化过程中能够取得更高的承载力及承载力增幅保持率。因此综合考虑延性,耗能能力和材料用量,为最大程度地减小自然劣化的消极作用,采用中等净距的条带约束形式是更为合理的。最后,根据本文试验数据,提出了能够考虑劣化效应的轴压承载力计算模型。
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