论文部分内容阅读
钢管混凝土柱具有承载力高、延性好等优越的力学性能,但钢管、混凝土泊松比不一致造成钢管在混凝土裂缝未完全开展阶段中提供的环向约束作用较小、薄壁钢管易发生局部屈曲导致承载力下降过快等问题使得其性能仍然存在提升的空间。此外,钢管混凝土使用中面临由于腐蚀等不利外界因素以及自身结构使用功能改变导致承载力不足的问题。以上问题需要通过对钢管混凝土柱进行增强/加固解决。过往研究表明,纤维增强复合材料(Fiber-reinforced polymer,简称FRP)能够显著恢复或提升混凝土的强度与变形能力,因此近几年被广泛应用于结构加固中。实际工程由于建筑设计或施工便捷原因,部分构件需要采用FRP条带局部包裹加固形式,因此本文通过开展FRP条带约束钢管混凝土柱的轴压试验研究,研究分析不同FRP种类(CFRP、PET FRP)、FRP层数(0层、2层、3层、4层)和条带间距(0mm、40mm、80mm、120mm)对约束钢管混凝土柱的轴压性能(包括破坏模态、荷载-应变曲线、环向应变-轴向应变曲线和约束混凝土应力-应变曲线等)的影响规律及应变分布(包括试件沿高度方向的轴压应变分布和环向应变分布)规律。试验结果表明:(1)FRP对约束钢管混凝土柱的极限承载力和对应的极限轴向应变提升最明显(CFRP试件最高提升分别可达31%和57%,PET FRP试件最高提升分别可达43%和607%)。CFRP试件的极限承载力随FRP层数的增加而近似线性增加,随条带间隔/条带宽度比值(s/b)的减小而先缓后陡的增加;极限轴向应变随FRP层数的增加而增加,随s/b的减小先增加后可能有所下降。相同FRP体积配置率下,FRP层数对极限承载力和极限轴向应变的影响相较于FRP条带间距更明显。PET FRP约束试件极限承载力和对应的轴向应变受s/b的影响与CFRP试件规律相似,区别在于PET FRP能实现更大的极限承载力和极限轴向应变。不同变量对其约束混凝土极限应力及对应的极限轴向应变的影响,结论与对试件的极限承载力及对应的极限轴向应变的影响相一致。(2)试验发现FRP约束钢管混凝土柱的泊松比小于钢管混凝土柱的泊松比,说明FRP能有效改善初始阶段钢-混凝土界面。进一步地,FRP层数的增加能有效限制试件的膨胀变形速度,而s/b的增加或减少并不能有效限制试件的膨胀变形速度。PET FRP试件与CFRP试件的区别在于,CFRP能减少试件的侧向膨胀速度,而PET FRP能实现更大的膨胀变形。(3)采用DIC技术(Digital Image correlation technique,简称DIC技术)获取试件沿高度应变分布情况,该技术与常规量测在关键测点处量测得到的荷载-应变曲线吻合度良好,获得的极限应变相差百分比在±15%以内,证明DIC技术在本试验中是可行的。由DIC技术得到的试件沿高度的环向应变、轴向应变分布曲线发现,FRP条带间隔约束钢管混凝土柱沿高度方向的应变分布不均匀、不对称,表明轴压过程中试件沿柱高受到不均匀的约束。(4)基于试验数据验证了现有模型对FRP条带间隔约束钢管混凝土柱的混凝土极限状态预测的适用性,并基于Lam and Teng模型提出了适用于FRP条带间隔约束钢管混凝土柱中混凝土极限状态预测的新设计模型。该模型对试验值的预测更加准确、安全和适用,可为钢管混凝土柱在性能提升和加固改造方面提供技术参考。