FRP约束再生混凝土内钢管空心组合圆柱力学性能研究

摘要

本研究将再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete,简称RAC)与FRP-混凝土-钢双壁空心组合柱(Hybrid FRP-Concrete-Steel Double-Skin Tubular Column,简称DSTC)结合,提出了一种新型的纤维复合材料(Fibre-Reinforced Polymer,简称FRP)约束再生混凝土内钢管空心组合圆柱(Hollow-Core FRP-RAC-Steel Tubular Column,简称FRSTC)。该新型柱由外FRP管,内钢管及双管环形区域内RAC构成。FRSTC有望继续发挥DSTC中各组分材料的性能优势,使其具有承载力高、延性好的特点,同时解决废弃混凝土的环境污染问题,实现资源的可持续发展,扩大和提升RAC的应用范围和层次,为建筑结构提供一种新型的高性能环保型构件形式。为了解FRSTC的主要力学性能,验证RAC在DSTC中应用的可行性,促进该新型组合柱在实际工程的推广应用,本研究对FRSTC进行了轴压性能和抗震性能的试验研究。 为了解FRSTC的单调轴压性能,完成了21个小尺寸FRSTC和3个FRP约束再生混凝土实心短圆柱(直径为150mm)的单调轴压试验,通过对试件荷载-轴向位移曲线,荷载-FRP应变曲线,荷载-钢管应变曲线,以及FRP环向-轴向应变关系曲线等方面的讨论,分析FRP管厚度和再生骨料替代率两个参数对FRSTC的单调轴压性能的影响。轴压试验结果表明:(1)FRSTC单调轴压性能与DSTC类似。FRSTC的极限承载力随着再生骨料替代率的增加有下降趋势,而极限轴向位移有增加趋势。FRSTC的极限承载力和位移随FRP层数的增加而明显提高。再生骨料替代率为30％的FRSTC,在承载力和变形性能上表现较好。(2)FRSTC的荷载-轴向应变曲线、荷载-FRP应变曲线均呈现双线型发展趋势,荷载-钢管应变曲线基本呈现三线型关系。(3)采用基于应力-应变关系的模型计算的FRSTC极限轴压承载力与试验结果差别小于7％,DSTC的极限轴压承载力计算模型对于FRSTC依然适用。 为了解FRP约束再生混凝土柱的循环轴压性能,完成了8个较大尺寸(直径为300mm)玄武岩FRP约束再生混凝土实心短圆柱的循环轴压试验。通过对试件荷载-轴向位移曲线,应力-应变包络线,以及FRP环向应变曲线等方面的讨论,分析再生骨料替代率、再生混凝土强度和加载速率三个参数对FRP约束再生混凝土实心短圆柱的循环轴压性能的影响,建立约束再生混凝土的残余应变与卸载应变关系,应力退化率与包络卸载应变关系。循环轴压试验结果表明:(1)FRP约束再生混凝土柱的循环轴压性能与FRP约束原生混凝土性能类似。FRP约束低强再生混凝土柱的应力-应变曲线有明显的强化段,FRP约束高强再生混凝土柱应力-应变曲线在刚进入强化段时有一定回落。不同再生骨料替代率对FRP约束再生混凝土承载力影响不大。增大位移幅度循环和加载速率,对试件承载力有不利影响,但对延性有略微提高。(2)在FRP约束原生混凝土本构模型基础上,经过对卸载应变和应力退化率,以及再生混凝土强度的描述进行调整,得到修正的FRP约束原生混凝土的循环轴压应力-应变加/卸载曲线模型,对FRP约束再生混凝土的循环轴压性能预测效果良好。 为了解FRSTC的抗震性能,完成了16根足尺(直径为400mm,有效高度1650mm)FRSTC在恒定轴压力和往复水平荷载作用下的拟静力试验。通过对FRSTC滞回曲线和骨架曲线分析,以及承载力退化系数、延性系数、位移转角、曲率、等效塑性铰高度、刚度退化系数、耗能、等效粘滞阻尼系数、累积损伤系数等指标的计算,讨论试件再生骨料替代率、轴向加载方式、剪力连接件、FRP管材类型、钢管厚度、试件空心率、FRP管厚度、轴压比、再生混凝土强度等参数的变化影响,对FRSTC的抗震性能有较全面的认识。拟静力试验结果表明:(1)试件滞回曲线呈现饱满的梭形,试件变形和耗能性能良好。(2)轴压比的增加、钢管剪力连接件的设置和全截面加载方式,能提高试件的峰值侧向荷载,但降低试件延性和端部曲率,且加大试件的累积损伤。轴压比的增加和钢管剪力连接件的设置,还明显降低耗能。(3)钢管厚度的增加能提高侧向荷载及耗能性能,但对极限位移提高较小,且略微降低延性系数。钢管直径的增加能提高试件峰值荷载,但使其滞回曲线“捏缩”效应加强。(4)再生骨料替代率影响较小,随着再生骨料替代率的增加,试件滞回曲线的“捏缩”效应略微减弱,总耗能和等效粘滞阻尼系数略微提高。(5)混合纤维复合管材约束的效果介于各纤维材料之间。增加FRP管厚度能减小试件承载力退化,但略微降低总耗能和延性。试件推拉面FRP应变在加载早期随加载位移呈对称形态发展,FRP承担部分轴压力,拉力主要由钢管承担。(6)建立的折线型恢复力模型能较好地预测试件的滞回性能。

目录

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2研究意义

1．3国内外研究现状

1．3．1再生混凝土(RAC)

1．3．2纤维增强复合材料(FRP)

1．3．3约束再生混凝土柱

1．3．4 FRP-混凝土-钢管组合柱(DSTC)

1．4主要研究内容

第二章FRSTC单调轴压性能

2．1概述

2．2试验过程

2．2．1试验设计

2．2．2试验材料

2．2．3试件制作

2．2．4测点及加载

2．3试验结果

2．3．1试验现象

2．3．2承载力和轴向压缩量

2．4分析与讨论

2．4．1荷载-轴向应变曲线

2．4．2荷载-FRP应变曲线

2．4．3荷载-钢管应变曲线

2．4．4 FRP轴向与环向应变关系

2．5承载力计算模型

2．5．1现有模型

2．5．2模型对比与评估

2．6本章小结

第三章FRP约束再生混凝土圆柱循环轴压性能

3．1概述

3．2试验过程

3．2．1试验设计

3．2．2试验材料

3．2．3构件制作

3．2．4测点及加载

3．3试验结果

3．3．1破坏形态

3．3．2承载力

3．4分析与讨论

3．4．1荷载-位移曲线

3．4．2应力-应变包络曲线

3．4．3环向应变

3．4．4残余应变

3．4．5应力退化

3．5应力-应变模型

3．5．1现有模型

3．5．2模型对比与评估

3．5．3修正的应力-应变模型

3．6本章小结

第四章FRSTC拟静力试验

4．1概述

4．2试验设计

4．2．1试验模型

4．2．2试验参数

4．2．3钢柱和基座

4．2．4钢垫板设计

4．2．5改进仪器装置

4．3试验材料

4．3．1钢管

4．3．2 FRP管

4．3．3再生混凝土

4．4试件制作

4．5测点及加载

4．5．1测点布置

4．5．2加载装置

4．5．3加载制度

4．6本章小结

第五章FRSTC拟静力试验结果分析

5．1概述

5．2试验现象

5．2．1试件破坏形态

5．2．2不同参数对破坏形态的影响

5．3试验结果

5．3．1滞回曲线

5．3．2骨架曲线

5．4分析与讨论

5．4．1承载力退化曲线

5．4．2延性系数

5．4．3位移转角

5．4．4曲率分布

5．4．5等效塑性铰区长度

5．4．6刚度退化曲线

5．4．7 FRP应变分布

5．4．8耗能能力

5．4．9累积损伤评估

5．5恢复力模型

5．5．1骨架曲线模型

5．5．2卸载刚度计算

5．5．3恢复力模型的建立

5．5．4恢复力模型的评估

5．6本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间的科研成果

声明

致谢

附录