碳纤维筋增强钢筋混凝土框架竖向荷载下受力性能试验研究

摘要

钢筋混凝土因其成本低、来源广、性能优越等特点而广泛应用于建筑结构。但是，钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的问题限制了该结构在腐蚀性环境下的应用。CFRP筋与钢筋混合配筋混凝土结构综合利用了钢筋较好的延性和CFRP筋抗拉强度高、耐腐蚀性强的优点:一方面混合配筋混凝土结构将CFRP筋配置在构件易被腐蚀的外侧及边角区，可较好地解决结构在腐蚀环境下钢筋锈蚀的问题;另一方面钢筋可增加结构的延性，不但解决了纯CFRP筋混凝土结构延性较差的问题，而且减小了该结构正常使用状态下裂缝宽度和挠度过大的问题。所以混合配筋形式是一种较为理想的结构配筋形式。
　　论文对CFRP筋与钢筋混合配筋混凝土构件进行了理论研究，主要研究内容如下:得到了混合配筋混凝土受弯构件的三种破坏模式;推出了混合配筋受弯构件的承载力计算公式及最大最小配筋率计算公式;分析了混合配筋压弯构件的两种破坏模式、混合配筋压弯构件的承载力计算公式和CFRP配筋截面积比γρ对CFRP筋强度利用率的影响，并给出了CFRP筋强度利用率的设计建议;基于条带法，得到了混合配筋受弯构件及压弯构件截面的弯矩-曲率(M-ψ)曲线，并在此基础上，分析了混凝土强度fc、构件截面有效高度h0、综合配筋率ρ、配筋比γρ、轴压比μ及CFRP筋弹性模量Ef等参数对混合配筋混凝土构件受力性能的影响。
　　论文在理论研究的基础上，设计了四组框架（两组混合配筋混凝土框架、一组钢筋混凝土框架及一组CFRP筋混凝土框架），并且进行了竖向荷载下的试验研究，Opensees有限元分析结果与试验实测数据表明:不同的配筋比γρ对框架在竖向荷载下的受力性能有较大影响。在适筋破坏范围内，若混合配筋混凝土框架梁的综合配筋率ρ相等，则配筋比γρ越大，框架的承载力越大，但是其半塑性铰发展速率会越慢，半塑性铰长度越小，塑性内力重分布现象越不明显;对混合配筋框架梁的变形及耗能能力进行分析，得出了混合配筋框架梁的耗能系数及塑性指标，通过利用耗能系数及塑性指标对混合配筋框架梁的耗能能力及延性进行比较;根据框架梁配筋比γρ对调幅系数β的影响，借鉴钢筋混凝土规范给出了混合配筋框架设计中需要采用塑性内力重分布的配筋比最大值的建议值。
　　最终论文利用ABAQUS有限元软件对四组试验框架进行竖向荷载下的受力模拟分析，将混合配筋框架梁半塑性铰长度的模拟结果同试验值进行了对比。通过数值模拟，得到了混合配筋混凝土框架竖向荷载-挠度曲线及半塑性铰长度。所建立的模型结果与理论分析结果较为吻合，说明数值模拟及计算公式具有一定的可靠性及有效性，可以为实际混合配筋混凝土框架设计提供参考和依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 钢筋混凝土结构的优缺点

1．1．2 CFRP筋特点及FRP筋混凝土结构在实际工程中的应用

1．2 国内外研究现状

1．2．1 混合配筋混凝土结构承载力

1．2．2 混合配筋混凝土结构的刚度与挠度

1．2．3 混合配筋混凝土结构的延性

1．3 论文研究内容与意义

1．3．1 本文的研究内容

1．3．2 本文的研究意义

第二章 CFRP筋与钢筋混合配筋混凝土构件理论研究

2．1 CFRP筋与钢筋混合配筋受弯构件理论研究

2．1．1 基本假定

2．1．2 配筋比及配筋率的定义

2．1．3 混合配筋受弯构件正截面破坏模式

2．1．4 混合配筋混凝土构件的最大及最小配筋率

2．1．5 混合配筋受弯构件极限弯矩计算

2．1．6 混合配筋受弯构件正截面极限承载力的计算公式

2．1．7 混合配筋受弯构件的弯矩-曲率数值模拟

2．1．8 相关参数对于混合配筋受弯构件的受力性能的影响

2．2 混合配筋压弯构件理论分析

2．2．1 混合配筋压弯构件的承载力分析

2．2．2 相关参数变化对于混合配筋压弯构件的弯矩-曲率曲线的影响

2．2．3 混合配筋压弯构件的CFRP筋利用率

2．3 本章小结

第三章 CFRP筋与钢筋混合配筋混凝土框架试验结果与分析

3．1 试验方案

3．2 框架试件设计

3．3 试验破坏模式及现象预测

3．3．1 试验加载装置

3．3．2 试验测量数据

3．3．3 试验加载制度

3．4 材料力学性能指标

3．5 试验现象与破坏特征

3．5．1 框架C1试验现象

3．5．2 框架CF1试验现象

3．5．3 框架CF2试验现象

3．5．4 框架F1试验现象

3．5．5 框架破坏特征总结

3．6 混合配筋混凝土框架梁挠度分析

3．7 混合配筋框架柱的受力性能分析

3．8 混合配筋混凝土框架梁的耗能及延性分析

3．8．1 混合配筋混凝土框架梁的形变能及塑性指数

3．8．2 结论

3．9 混合配筋混凝土框架梁半塑性铰及塑性内力重分布

3．9．1 混合配筋半塑性铰的定义

3．9．2 混合配筋框架梁截面配筋比γρ对半塑性铰性能的影响

3．9．3 混合配筋混凝土框架截面配筋比γρ对塑性内力重分布的影响

3．9．4 混合配筋框架梁截面配筋比γρ对调幅系数β的影响

3．10 本章小结

第四章 CFRP筋与钢筋混合配筋框架数值模拟

4．1 混合配筋框架模型

4．1．1 部件创建

4．1．2 材料及截面属性

4．1．3 定义装配件

4．1．4 设置荷载步

4．1．5 定义接触

4．1．6 荷载及边界条件

4．1．7 网格划分及作业

4．2 有限元分析结果

4．2．1 混合配筋混凝土框架的承载力及刚度分析

4．2．2 混合配筋混凝土框架的半塑性铰分析

4．3 本章小结

第五章 全文总结

5．1 本文主要研究结论

5．1．1 混合配筋混凝土构件理论分析

5．1．2 混合配筋混凝土框架试验分析

5．1．3 混合配筋混凝土框架有限元模拟分析

5．2 有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

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