【摘 要】
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为提高结构的抗震性能、增强结构震后的可恢复性,提出了高强钢筋与碳纤维增强复合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)筋混合配筋超高性能混凝土UHPC(Ultra-High Performance Concrete)柱的形式,既可以通过高强钢筋的塑性和UHPC的延性提高构件的耗能能力,又可以通过CFRP筋的线弹性性能来实现更小的构件残余变形。同时CFRP筋在UH
【基金项目】
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国家自然科学基金项目:51878262; 国家重点研发计划项目:2017YFC0703008;
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为提高结构的抗震性能、增强结构震后的可恢复性,提出了高强钢筋与碳纤维增强复合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)筋混合配筋超高性能混凝土UHPC(Ultra-High Performance Concrete)柱的形式,既可以通过高强钢筋的塑性和UHPC的延性提高构件的耗能能力,又可以通过CFRP筋的线弹性性能来实现更小的构件残余变形。同时CFRP筋在UHPC中的锚固性能决定两者能否有效协同工作,虽然CFRP筋材表面压纹的存在可有效提高其与粘结介质间的粘结强度,但压纹成型时会局部挤压筋材内的纵向纤维,削弱筋材截面,从而导致筋材强度的降低,因此需要在两者之间寻求平衡,使粘结强度提高的同时筋材强度降低在可接受范围内。基于此,本文对UHPC中不同表面构造CFRP筋的锚固性能和混合配筋UHPC柱的抗震性能进行了研究。主要研究内容如下:1.UHPC中不同表面构造CFRP筋锚固性能试验研究以表面构造、锚固长度为参数对UHPC中CFRP筋锚固性能进行了试验研究,结果表明:(1)表面压纹构造对CFRP筋抗拉强度影响明显。与光圆CFRP筋相比,浅压纹、中压纹和深压纹的抗拉强度分别降低约14%、20%和50%。(2)CFRP筋表面构造对其锚固性能影响显著。光圆CFRP筋试件的峰值荷载与粘结强度仅为压纹CFRP筋试件的14%~17%;虽然深压纹试件的粘结强度、延性系数、耗能均明显大于浅压纹试件和中压纹试件,但抗拉强度却降低了30%。综合考虑CFRP筋表面构造对其抗拉强度和粘结强度的影响,压纹深宜为筋材直径的1.5%~2%,肋高宽比宜为3%~4%。(3)试验发生了两种破坏模式,分别为CFRP筋拔出破坏及拉断破坏;对于发生拔出破坏的试件,CFRP筋峰值荷载与耗能随锚固长度增大而增大,粘结强度与延性系数随锚固长度增大而减小。(4)根据试验结果,建立了CFRP筋在UHPC中的粘结强度与临界锚固长度预测公式,并考虑了肋高宽比的影响,计算结果与试验结果吻合良好。2.混合配筋UHPC矩形截面受压构件抗震性能试验研究以配筋形式、轴压比为参数对UHPC柱抗震性能进行了试验研究,结果表明:(1)所有试件的破坏形式均为正截面破坏,延性与耗能能力良好。(2)轴压比越大,试件峰值荷载越大,极限位移越小,延性性能、耗能能力、可恢复性能均越差;混合配筋形式可以显著提高UHPC柱的可恢复性能,混合配筋柱残余变形仅为高强钢筋柱的40%。(3)低轴压比(n=0.1)时,相比于纯高强钢筋配筋柱,混合配筋柱的峰值荷载提高41.4%,极限位移提高24.9%,延性系数提高24%,破坏时累计耗能接近;而高轴压比(n=0.3)时,配筋形式对试件峰值荷载、极限位移和延性系数影响不明显,混合配筋柱破坏时的累计耗能约为高强钢筋柱的65%。说明混合配筋UHPC柱在试验轴压比小于0.3时可以充分发挥材料各自性能,提高构件抗震性能。(4)Open Sees分析模型中采用等效配箍率考虑UHPC中钢纤维的约束作用,并提出相应的计算方法,得出的模拟结果与试验结果总体吻合较好。(5)采用有限元软件Open Sees进行了参数分析,结果表明:混合配筋形式更适用于设计轴压比小于0.6的试件,且UHPC柱纵向筋中CFRP筋所占比例不宜大于1/3;增大轴压比会显著降低试件的耗能能力和延性,若以位移延性系数不小于3为目标,则UHPC柱的设计轴压比限值可取为0.8;增大纵筋配筋率可显著提高试件的承载能力和耗能能力,但对延性和自复位性能影响很小;增大混凝土强度可以提高试件的承载能力,同时会降低试件的延性,但对耗能能力和自复位性能影响较小。
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