玄武岩纤维增强复合材料约束混凝土及抗震性能研究

摘要

玄武岩纤维具有较高的比强度和比模量，耐高温低热和耐酸碱腐蚀性好，性价比高。我国在玄武岩矿藏资源上拥有巨大的优势，随着生产技术的不断提升开发出了一系列性能稳定的玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）制品，并大力推广其在土木工程领域中的应用。目前在对现有结构的加固改造和对新建结构的性能增强中，关于BFRP增强混凝土轴压性能与抗震性能的设计方法还沿用了以往针对碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)等常用FRP所提出的模型，存在着一些不足:对BFRP约束混凝土时的实际断裂应变缺乏了解;忽略尺寸效应的影响导致性能预测的偏差;对BFRP复合加固钢筋混凝土柱缺乏理论指导等等。因此，针对BFRP约束增强混凝土轴压性能以及BFRP复合加固提高钢筋混凝土抗震性能方面，亟需更多的试验和理论研究。
　　在BFRP约束研究方面，试验研究了BFRP约束混凝土圆柱的轴压性能，采用了国际先进的360°全周变形测量系统观测试件的变形，探讨了尺寸效应的影响，提出了适用于所有FRP种类的轴压应力-应变模型;在BFRP复合加固方面，采取试验研究与软件模拟相结合的方式，分析了嵌入式BFRP筋与BFRP约束对钢筋混凝土柱抗震性能的共同作用。本文具体的研究内容及成果包括:
　　(1)共测试了213个圆柱试件的轴压性能，其中BFRP约束试件147个，素混凝土试件66个。试件混凝土强度等级为C30和C50;长径比均为2.0;直径分别为102mm、150mm、190mm、300mm和385mm; BFRP包裹层数0.5～9层。试件均因BFRP突然断裂而破坏，轴压性能随侧向约束强度比的增大和外形尺寸的减小而得到提高，各项性能提高的幅度随着混凝土强度的增大而减小。
　　(2)采用360°全周变形测量系统观测加载过程中试件的变形，并使用3D DIC软件处理照片计算得到试件的全周变形和应变。分析试件周身环向应变场云图后发现，环向应变的分布与混凝土强度、侧向约束强度（或刚度）、试件尺寸、甚至条带的局部包裹有关。对非搭接区域内柱高中部1/3范围的BFRP环向应变平均值提出考虑了混凝土强度、侧向约束刚度比和尺寸效应的预测模型。经对比验证该模型较现有模型的精度更高。
　　(3)对比分析了尺寸效应对BFRP约束圆柱轴压性能的影响，结果表明:试件的破坏模式不具有尺寸效应;BFRP约束的强、弱作用不具备明显的尺寸效应;轴压应力-应变曲线形状具有一定尺寸效应;应力-应变曲线上的转折点和极限点的应力、应变均具有较明显的尺寸效应。随后提出了确定尺寸效应的4步骤分析法。
　　(4)研究了BFRP约束混凝土圆柱的应力-应变关系，提出了强、弱约束效果的判定公式;利用四步骤分析法分别提出了考虑尺寸效应的转折点应力、极限点应力和极限点应变的预测模型。经验证这些模型对其他FRP同样适用，且相对现有模型具有一定优势。此后建立FRP约束混凝土方柱数据库，利用约束圆柱中尺寸效应因子提出应力、应变预测模型。
　　(5)采用BFRP筋和布复合加固钢筋混凝土柱并测试其抗震性能，设计的变量为BFRP筋的直径和锚固长度，和BFRP外包层数。分析了构件的滞回曲线、耗能性能、刚度和强度的退化规律等指标后发现:增大BFRP筋直径可显著提升RC柱抗震性能;增大粘结长度可延缓强度退化，但同时增大了卸载刚度造成残余位移变大;BFRP约束可辅助BFRP筋进一步提高承载力和延性。此后，将本文提出的FRP约束方柱的轴压模型应用于导入OpenSees程序中以模拟复合加固柱的抗震性能，模拟结果与试验情况吻合良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 我国地震情况

1．1．2 钢筋混凝土墩(柱)的灾害分析

1．1．3 钢筋混凝土墩(柱)的抗震加固

1．1．4 玄武岩纤维的特点及应用

1．2 研究现状和存在问题

1．2．1 FRP约束混凝土应变测量方法

1．2．2 FRP约束混凝土尺寸效应研究

1．2．3 约束混凝土FRP的环向应变研究

1．2．4 轴压应力-应变模型

1．2．5 复合加固RC柱的抗震性能研究

1．3 研究的目的与研究内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．3．3 全文结构安排

参考文献

第二章 BFRP约束混凝土圆柱轴压试验研究

2．1 引言

2．2 试验介绍

2．2．1 试验设计

2．2．2 材料特性

2．2．3 试件设计方案

2．2．4 试件制作

2．2．5 加载装置与制度

2．3 360°全周变形测量系统的原理与应用

2．3．1 观测原理

2．3．2 观测设备布置

2．3．3 图像采集方法

2．3．4 图片后处理过程

2．3．5 系统噪声分析

2．3．6 观测结果准确度分析

2．3．7 应变值的选取

2．4 试验结果

2．4．1 试验过程及破坏状态

2．4．2 试验过程的位移场和应变场

2．4．3 应变场的全景云图

2．4．4 BFRP断裂位置的对照

2．4．5 数据结果汇总

2．4．6 应力-应变关系曲线

2．5 本章小结

参考文献

第三章 BFRP约束机理及应变规律分析

3．1 引言

3．2 FRP约束混凝土的机理及影响参数

3．2．1 FRP约束机理

3．2．2 FRP约束的影响因素

3．3 多因素对BFRP环向应变分布的影响分析

3．3．1 混凝土强度的影响

3．3．2 侧向约束强度的影响

3．3．3 尺寸效应

3．3．4 局部包裹的影响

3．4 极限状态BFRP环向应变数据汇总

3．5 BFRP环向应变有效利用系数

3．5．1 基本因素影响分析

3．5．2 kε，frp的预测模型

3．5．3 模型的验证与比较

3．5．4 其他环向应变系数

3．6 本章小节

参考文献

第四章 BFRP约束混凝土圆柱尺寸效应研究

4．1 引言

4．2 尺寸效应的成因

4．2．1 混凝土尺寸效应的成因

4．2．2 混凝土强度尺寸效应律模型

4．2．3 FRP约束效率的尺寸效应

4．3 FRP约束混凝土尺寸效应的研究现状

4．4 破坏模式的尺寸效应

4．5 应力-应变曲线的尺寸效应

4．6 约束效果的尺寸效应

4．7 应力的尺寸效应

4．7．1 转折点应力

4．7．2 极限应力

4．8 应变的尺寸效应

4．8．1 转折点应变

4．8．2 极限应变

4．9 尺寸效应的研究方法

4．9．1 本文确定尺寸效应的方法

4．9．2 二因素析因分析法

4．10 本章小结

参考文献

第五章 FRP约束混凝土的应力-应变关系研究

5．1 引言

5．2 BFRP约束混凝土圆柱

5．2．1 强、弱约束的判定

5．2．2 FRP约束圆柱的应力-应变曲线模型

5．2．3 转折点应力的预测模型

5．2．4 极限应力预测模型

5．2．5 极限应变预测模型

5．2．6 应力-应变曲线验证

5．3 FRP约束混凝土方柱

5．3．1 试验数据收集

5．3．2 极限应力预测模型

5．3．3 极限应变预测模型

5．3．4 转折点应力预测模型

5．4 本章小结

参考文献

第六章 BFRP筋／布复合加固RC柱抗震试验与分析

6．1 引言

6．2 试验介绍

6．2．1 试验设计

6．2．2 材料特性

6．2．3 加固工艺

6．2．4 试验方法

6．2．5 观测项目

6．3 试验结果

6．3．1 试验过程及破坏形态

6．3．2 滞回曲线

6．4 试验结果分析

6．4．1 骨架曲线及二次刚度

6．4．2 强度和刚度退化

6．4．3 耗能性能

6．4．4 平均截面曲率

6．4．5 卸载刚度退化

6．5 OpenSees抗震性能模拟

6．5．1 OpenSees软件简介

6．5．2 数值模型的建立

6．5．3 OpenSees模拟结果及比较

6．6 本章小结

参考文献

第七章 全文总结与展望

7．1 主要结论

7．1．1 360°全周变形测量系统的应用

7．1．2 BFRP约束混凝土的轴压性能

7．1．3 BFRP约束混凝土圆柱时的环向应变分布

7．1．4 BFRP约束混凝土的尺寸效应

7．1．5 BFRP约束混凝土的应力-应变关系

7．1．6 BFRP筋／布加固RC柱的抗震性能

7．2 主要创新点

7．3 有待进一步研究的问题

作者简介

致谢