FRP约束混凝土圆柱应力和应变模型探讨

以FRP约束混凝土圆柱约束机理为基础,分析了FRP约束混凝土应力和应变模型的类型、结构、特点及其影响因素,进而对约束混凝土的侧向约束力和侧向膨胀系数等进行了探讨。

FRP约束砌体方柱轴心抗压承载力计算分析

目的研究纤维增强复合材料(FRP)加固砌体结构的轴心抗压承载力的计算方法,为设计提供理论计算公式.方法参考FRP加固混凝土轴心抗压承载力的计算模型,考虑加固方式、含纤率等因素的影响,对现有试验数据进行回归分析,推导有效约束区极限抗压强度与侧向约束应力的关系表达式,并将计算结果与试验结果进行对比分析.结果利用笔者推导出的FRP约束砌体方柱轴心抗压承载力公式计算承载力,与试验结果吻合较好,计算值/试验值的平均值为0.96,均方差为0.001 644,变异系数为0.042.结论提出了FRP加固砌体方柱有效约束区极限抗压强度与侧向约束应力的关系表达式;推导出的FRP约束砌体柱极限抗压承载力的建议公式可供设计人员参考使用.

FRP加固砌体平面外弯曲性能研究综述

FRP是近年来兴起的一种高新技术复合材料,其简便的施工工艺及优良的加固修补效果得到土木工程界的普遍赞同。FRP加固现有结构的研究是土木工程领域的前沿课题之一,但是国内对这一领域的研究工作才刚刚起步,特别是对砌体结构的研究仍然是很有限的。在综合有关资料的基础上,综述了国外对FRP加固砌体平面外弯曲性能研究的成果,指出今后有待研究的有关问题。

FRP约束损伤混凝土环向应变-轴向应变关系

为分析混凝土损伤对FRP约束混凝土的影响,通过收集已有文献的264个试验数据,建立一个包含混凝土试件截面形状、损伤种类和损伤程度,以及FRP约束刚度的大型数据库.基于数据库对现有环向应变-轴向应变关系模型进行评估,并在Jiang等模型的基础上,建立FRP约束损伤混凝土柱的环向应变-轴向应变关系模型,采用数据库对新提出模型的准确性进行验证.计算结果表明:Jiang等模型可以准确描述FRP约束未损伤混凝土圆柱的环向应变-轴向应变关系,但是现有的FRP约束未损伤混凝土柱的环向应变-轴向应变关系模型不适用于FRP约束损伤混凝土柱;并且随着混凝土损伤程度的增加,现有模型的计算值与试验值的偏差也在增加.新提出的模型能够准确描述FRP约束损伤混凝土的环向应变-轴向应变关系,模型可推广应用于FRP约束高温损伤混凝土柱.新模型既可以同时适用于FRP约束预损伤圆形、正方形、长方形截面混凝土柱,也可以计算FRP约束预加载混凝土圆柱与方柱.

侧向约束下FRP加固混凝土界面黏结性能

为了揭示侧向约束对FRP-混凝土界面黏结性能的影响,基于三折线黏结-滑移模型开展了侧向约束下FRP黏结混凝土界面剥离全过程分析,推导了FRP-混凝土界面黏结荷载表达式,进行了模型试验、三维数值模拟验证和参数分析.研究结果表明:无限粘贴长度情况下,有侧向约束的FRP-混凝土黏结界面经历了弹性、弹性-软化、弹性-软化-摩擦、软化-摩擦和摩擦5个阶段,界面荷载-滑移关系和黏结应力分布的试验和数值计算结果与理论模型具有较好的一致性.当侧向约束力增加,界面荷载强度和滑移量均会显著提高,因此侧向约束能有效抑制外贴FRP加固的剥离.侧向约束下增加黏结长度或提高FRP刚度均能进一步提高荷载强度,但FRP刚度提高会导致界面延性减小.

环向预应力FRP约束混凝土圆柱应力-应变关系

环向预应力FRP能够对核心混凝土提供主动约束,避免FRP的应力滞后问题,增强约束效果。在设计时若采用非预应力FRP约束混凝土的计算模型和应力应变关系模型,将会造成很大的误差。引入与环向预应力大小有关的初始约束应力和有效约束应力,并依据已有的试验数据和有限元模拟,提出了环向预应力FRP约束混凝土圆柱的峰值应力和峰值应变、极限应力和极限应变的计算模型;分析了环向预应力FRP约束混凝土圆柱的初始弹模,借鉴已有的FRP约束混凝土的应力-应变关系模型,提出了环向预应力FRP约束混凝土圆柱的三线性应力-应变关系模型,计算结果与试验结果吻合良好。

多因素影响下FRP约束混凝土柱FRP有效极限拉应变研究进展

FRP侧向约束作用使混凝土柱处于三向受压状态,可提高混凝土柱的抗压强度和延性。FRP有效极限拉应变是确定FRP侧向约束力的关键参数,对FRP约束混凝土轴压峰值应力和峰值应变计算模型、应力-应变模型的建立至关重要,其影响因素众多。目前国内外研究者在FRP有效极限拉应变取值方面取得了一些有价值的研究成果,但得到的FRP有效应变系数离散性较大,考虑的影响因素不全面。基于现有研究成果,对FRP有效极限拉应变的影响因素进行了系统分析,指出了当前FRP有效极限拉应变研究存在的不足和未来需深入研究的方向。

BFRP侧向约束对GFRP带肋筋与混凝土粘结性能的影响

为考察BFRP侧向约束对GFRP带肋筋与混凝土粘结性能的影响,对36个GFRP筋混凝土拉拔试件进行试验研究,主要试验参数为BFRP侧向约束层数(0层、1层、2层和3层)和混凝土相对保护层厚度c/d(1.6、2.2和3.0)。试验结果表明:BFRP侧向约束使拉拔试件的破坏模式由混凝土劈裂破坏转为GFRP带肋筋的拔出破坏;试件的粘结强度和达到粘结强度所对应的滑移量、侧向约束应力会随BFRP侧向约束层数的增加而增大;相同BFRP侧向约束层数下,相对粘结强度随着c/d的增大而增大,但达到粘结强度所对应的侧向约束应力却随c/d的增大呈指数减小;相对粘结强度增加量随着达到粘结强度时侧向约束应力的增加呈对数增加。

侧向撞击荷载下FRP管-混凝土-钢管组合梁抗撞性能的理论分析模型

基于ABAQUS有限元软件为平台建立了FRP管-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击荷载下的有限元计算模型,该模型计算结果与现有试验结果对比后吻合良好,能够较好地模拟FRP管-混凝土-钢管组合结构在侧向撞击作用下的性能。同时利用该模型进行了有限元参数分析,通过改变冲击能量和空心率来分析它们各自对该组合结构撞击性能的影响。得出的结论是冲击能量对该组合结构跨中极限挠度影响显著,但冲击力平台值却几乎不变;空心率对该组合结构抗撞击性能影响较大,尤其是当空心率在0.6~0.8范围内时组合结构展现出良好的抗撞击性能,且当空心率χ=0.7时,FRP管-混凝土-钢管组合结构表现出的抗冲击力学性能最好。这些研究对进一步开展FRP管-混凝土-钢管组合结构的抗撞击性能研究提供了一定的参考依据。

FRP管约束混凝土柱抗侧向冲击能力实验

针对FRP管约束混凝土柱的抗侧向承载能力进行了系统研究,通过在FRP管约束混凝土柱的侧向施加静压载荷,对实验结果分析可知:在不同FRP管壁厚、纵横向纤维比例以及填充混凝土与否的情况下,FRP管柱以及FRP管约束混凝土柱试件呈现完全不同的破坏模式.由实验得出的应力-应变关系曲线和FRP混凝土柱所能承受的最大静压载荷数据,可以作为进一步对动态冲击下FRP混凝土柱的研究基础.

GFRP管约束泡沫柱抗侧向冲击数值模拟

通过对玻璃纤维(GFRP)空管和GFRP管约束泡沫柱进行低速冲击有限元模拟,研究冲击高度对试件冲击力时程曲线和吸能效果的影响;将GFRP管约束泡沫柱与GFRP管约束混凝土柱的冲击力时程曲线进行对比,研究不同填充材料对试件冲击力时程曲线和吸能效果的影响。研究结果表明:随着冲击高度的增加,试件的冲击力峰值增大,试件的吸能效果降低;填充泡沫比填充混凝土具有更好的吸能效果,可以更有效抑制冲击荷载的增加;GFRP管约束泡沫柱抗侧向冲击破坏分为两个阶段,前一阶段GFRP失效,后一阶段泡沫复合材料芯材失效。

FRP约束混凝土侧向膨胀系数模型

根据数值模拟和以往研究,深入分析FRP约束混凝土侧向膨胀系数,并基于量纲分析,提出FRP约束混凝土侧向膨胀系数模型。经验证,相比其他模型,该模型与试验结果吻合良好,具有更高的精度,能更好的用于计算侧向膨胀系数。

钢-连续纤维复合筋增强混凝土柱抗震性能试验研究

具有稳定二次刚度和良好震后可修复性的钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土柱的抗震性能与普通RC柱有较大差别,本文对在水平往复荷载作用下,轴压比为0.12的4个SFCB增强混凝土柱及1个RC对比柱的抗震性能进行试验研究。SFCB增强混凝土柱主要变化参数为SFCB中的纤维种类(玄武岩纤维和碳纤维)和钢/纤维比例。研究结果表明:①SFCB增强混凝土柱相对普通RC柱具有稳定的二次刚度,在复合筋内芯钢筋屈服后,SFCB增强混凝土柱承载力仍可稳定提高;②SFCB增强混凝土柱由于复合筋的二次刚度,实现了在与普通RC柱相同柱顶变形能力的前提下,具有较小柱脚曲率需求的特点,从而实现较小的卸载残余位移,较高的震后可修复性能;③SFCB增强混凝土柱的性能特点与复合筋中外侧纤维有直接关系,钢-玄武岩纤维复合筋增强混凝土柱相对于钢-碳纤维复合筋柱具有更好的延性(二次刚度有效长度)和相同柱顶侧向位移水平下卸载时更小的残余位移。

纤维复合材料自锁式锚固体系力学性能试验研究

纤维复合材料自锁式锚固体系由锚头、螺栓和高强纤维布组成,其中的高强纤维布采用的是未刷胶的纤维复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)片材.针对4组未刷胶碳纤维布(carbonfiber reinforced polymer,CFRP)试件进行了轴向拉伸试验,考虑了断裂形式、极限荷载和弹性模量等影响因素,结果表明:与刷胶后的碳纤维布相比,未刷胶碳纤维布的破坏应力降低约50%,弹性模量降低13%,其力学性能有所下降;对7组经过了850h大气环境暴露、不同预应力作用下的自锁式锚具试件进行了破坏性试验,结果表明:锚头形式对碳纤维布断裂形式影响最大,方端锚头为剪切破坏,圆端锚头为受拉破坏.力学推导结果表明,碳纤维布抗拉强度约为其抗剪强度的20倍,剪切破坏随着混凝土墩柱直径的增长而延缓发生.

PET FRP约束矩形RC柱中纵筋屈曲行为

大应变纤维增强聚合物复合材料(LRS FRP)具有大断裂应变(大于5%)的特性,可能带来较高的结构延性,为钢筋混凝土(RC)柱的抗震加固提供了一种新的选择。外包FRP通过混凝土保护层为纵筋提供侧向支撑,防止或减缓纵筋的屈曲。但当箍筋间距较大时纵筋仍可能发生屈曲,尤其是在FRP不均匀约束的矩形柱中,纵筋的提前屈曲降低了柱子的承载能力。为研究不均匀约束情况下,FRP加固柱中钢筋的屈曲行为,本文共设计了28个聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET) FRP约束矩形试件,包括16个RC柱和12个素混凝土(PC)柱,对其进行单调轴压试验,研究FRP层数、箍筋间距和截面形状比对约束柱承载力和延性的影响;从试验结果中得到纵筋的平均应力-应变曲线,对FRP约束RC柱中纵筋的应力-应变关系进行定量分析。结果表明,PET FRP约束RC柱可提高其强度和延性,在一定范围内,当约束刚度越大、截面形状比越接近1时,约束效果越好;外包FRP的侧向支撑作用可将纵筋的屈曲推迟到较高的变形水平。

预应力纤维布加固混凝土圆形截面短柱轴压性能试验

为研究环向预应力纤维布加固混凝土圆形截面短柱的轴心受压性能,制作25个试件并进行轴心受压试验。试验考虑的影响因素包括:试件的混凝土强度等级、截面尺寸、箍筋间距、既有损伤及表面处理情况、纤维布种类、层数和预应力大小。试验得到了各个试件的破坏形态和应力-应变关系,进而分析了各影响因素对加固效果的影响。结果表明:与非加固试件相比,环向预应力纤维布加固试件的轴心受压承载力和延性均有明显提高;对纤维布施加预应力能避免纤维布的应力滞后,更好地发挥纤维布的高强性能;当环向预应力与纤维布的抗拉强度的比值在0～0.20范围内,试件的承载力和延性随预应力的增大而增大;当环向预应力达到纤维布抗拉强度的0.25倍时加固效果会降低,因此在工程应用中环向纤维布的预应力宜控制在纤维布抗拉强度的0～0.20倍之间。

主动约束混凝土圆柱的损伤演化规律

为了揭示主动约束混凝土圆柱的损伤演化规律,在细观层次上分析了环向预应力主动约束混凝土的破坏机理,在构件层次上基于试验研究了环向预应力纤维条带主动约束混凝土圆柱的损伤演化规律,探讨了主动约束作用对混凝土圆柱刚度的影响,研究结果表明：随着应力水平的提高,损伤应变曲线的斜率先减小后增大,体现了柱的损伤发展由缓慢到快速的渐变过程;直至试件应变达到峰值应变,损伤度达到0.4-0.6之间时试件破坏;并在试验研究和理论分析的基础上,提出了损伤演化方程,该方程反映了预应力大小和混凝土强度等级对轴压混凝土圆柱损伤演化的影响;给出了适用于环向预应力纤维条带主动约束混凝土圆柱的等效初始弹性模量的计算公式。