FRP加固锈蚀钢筋混凝土柱力学性能有限元模拟

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纤维增强聚合物(Fiber Reinforced polymer,简称FRP)复合材料,因其具有轻质高强、耐腐蚀、易施工、维护成本低等特点,近年来在混凝土结构抗震加固与增强耐久性方面应用广泛。目前国内外对FRP约束混凝土柱的轴压性能已经进行了大量研究,但仍存在以下问题:1.为了加载方便,现有的试验绝大多数以小尺寸短柱为标准试件,而对中等或大尺寸长柱的研究不够充分;2.现有的约束混凝土应力-应变模型大多基于FRP约束素混凝土圆柱的轴压试验结果得到,对于实际工程中必然存在的钢筋与FRP联合约束的情况无法做到精确模拟;3.在实际工程中,绝大多数结构存在偏心荷载或受弯作用,目前对偏心受压与纯弯作用下的FRP约束钢筋混凝土的受力性能缺乏透彻的研究。为了更准确地认识FRP约束大尺寸钢筋混凝土柱在偏心受压和纯弯作用下的受力性能,有必要继续开展研究工作,完善约束混凝土应力-应变模型,分析FRP约束钢筋混凝土柱的受力全过程,为混凝土结构的加固设计提供技术支持。本文提出了FRP-钢筋复合约束下混凝土塑性损伤有限元模型,通过与文献中FRP约束钢筋混凝土柱的轴压与偏压试验数据对比,验证了所使用应力-应变模型的准确性,并系统地研究了136根FRP约束混凝土柱在轴压、偏压、纯弯下的受力性能,主要研究内容如下:1.混凝土在受到钢筋与FRP复合约束时受力复杂,以往的FRP约束素混凝土分析型模型在模拟FRP约束钢筋混凝土柱时,难以得到准确的内力分布与极限状态。本文采用修正的FRP-钢筋复合约束混凝土塑性损伤模型,通过计算试件的FRP约束刚度与钢筋等效约束刚度,并按比例分配至约束混凝土应力-应变模型中,对轴压、偏压、纯弯下的FRP约束钢筋混凝土柱进行了有限元模拟,准确地模拟了FRP约束钢筋混凝土柱的受力过程与极限状态。2.受限于试验器材精度与材料均匀度等多种因素的影响,前人的许多试验研究未充分证明加载路径对极限状态的影响。本文验证了应力路径对FRP约束混凝土的极限承载力无显著影响,采用偏心轴向位移加载,和采用轴向力+转角位移加载,对极限状态时的应力分布无显著影响。3.对于FRP约束钢筋混凝土柱,随着荷载偏心距的增大,主应力比(中间主应力/最小主应力)最高的区域逐渐往混凝土最大受压区移动,但其大小并非逐渐增大。受偏压荷载时,跨中截面沿偏压方向所在直径上的点的轴向应力-应变曲线与FRP约束素混凝土柱的规律不同,受压区箍筋区域轴向应力最大。局部两相邻箍筋间所对应的外部FRP环向应变最大点,位于两箍筋间的垂直距离等分横截面与相邻箍筋所在横截面之间。在承受不同偏心距的轴向荷载时,承载力极限状态存在两种可能,当轴向位移的荷载偏心距较小时,混凝土最大受压区外表面的FRP断裂,断裂处混凝土迅速被破坏,此时该断裂点为承载力极限状态,当轴向位移荷载偏心距较大时,FRP均未断裂,但柱已达到极限承载力,此时该极限承载力对应了极限状态。4.在钢筋锈蚀前,混凝土在钢筋附近轴向应力最大,其次是核心区,保护层处最小。随着箍筋不断锈蚀,核心区混凝土轴向应力持续降低,最终低于保护层混凝土,柱轴压承载力显著降低,受弯承载力变化不明显。随着纵筋不断锈蚀,钢筋附近与核心区混凝土轴向应力持续降低,最终低于保护层混凝土,柱轴压承载力与受弯承载力均显著降低。5.当钢筋混凝土柱发生钢筋锈蚀后,采用FRP加固的承载力收益比例取决于钢筋的类型与锈蚀程度,对于以轴压为主的试件,箍筋锈蚀越严重,FRP加固的收益越低,对于以受弯为主的试件,纵筋锈蚀越严重,FRP加固的收益越低,若不为以上两种情况,则钢筋锈蚀越严重,FRP加固的收益越高。FRP加固的层数越多,轴压承载力提升越大,受弯承载力提升极小。提升混凝土强度,将显著提升FRP约束钢筋混凝土柱的轴压承载力,而对受弯承载力提升较小。柱长细比越大,FRP约束钢筋混凝土柱的轴压承载力越低,受弯承载力变化不明显。
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