混杂FRP加固混凝土柱轴压性能研究

摘要

纤维复合材料(FRP)以其高强度、高刚度、优异的耐腐蚀性、良好的抗疲劳性能在混凝土结构补强和加固中得以广泛应用，其中一个主要的应用是对混凝土柱整体加固以提高其强度和延性。但纤维的性能、铺层方式及加固工艺等因素对混凝土柱轴压性能的影响及其规律尚不十分清楚。本文的研究工作正是基于这一现实状况而开展的，本文的主要研究内容、方法及结论如下：
　　 1.通过FRP加固混凝土柱的轴心载荷试验，分析混凝土柱的破坏形式和受力机制，研究FRP加固后的强度和变形的改善效果，对纤维材料的种类、纤维直径、纤维布的厚度以及包缠层数对包缠效果的影响进行了对比分析。实验结果表明，粗玻璃纤维的包缠效果要明显好于使用细玻璃纤维，碳纤维的包缠效果优于玻璃纤维和芳纶纤维；随着包缠层数的增多，混凝土柱加固的效果也越好；厚玻璃纤维布比薄玻璃纤维布具有更好地增强效果；混杂纤维由于综合各种纤维的优势于一体，使用其对混凝土柱进行约束时，能够更有效的提高混凝土柱的延性与承载力；混凝土柱的延性提高则进一步提升混凝土柱的轴心抗压强度，柱体延性提高的多少与纤维的强度的具有较大的关系。
　　 2.采用有限元软件对纤维增强复合材料加固混凝土柱轴压性能进行了数值计算，在模拟计算中采用加载面节点耦合，建立刚性区域的方法，使得有限元模型建立较为便捷，减少了计算单元，并使得SOLID65单元容易收敛，并将实际试验测定的结果和模拟计算的结果进行了对比分析。结果表明，ANSYS模拟计算方法及建立的有限元模型模拟计算纤维布加固混凝土的力学性能是可行的，这种建立有限元模型模拟纤维复合材料加固混凝土的方法只适用于混凝土被压碎前。
　　 3.在己验证的有限元所建模型的基础上，通过建立具有针对性的纤维复合材料加固混凝土实验的有限元计算模型，重点分析各种参数的变化对混凝土应力应变性性能以及纤维破坏分布的影响。研究了加固碳纤维的层数、加固方向对加固层的完整性、混凝土柱的变形、刚度及轴向应力的影响规律。结果表明，纤维复合材料加固阻碍了混凝土的横向变形，并且当混凝土柱生成裂纹时，纤维复合材料对混凝土的裂纹的产生和扩展有一定的阻碍作用，提高了混凝土柱的极限强度；碳纤维沿轴向粘结时，粘结3层的完整性大于2层的，粘结4层和3层的完整性相差很小，且随着粘结层数的增加，纤维层完整性的提高速度变缓；碳纤维在90°方向加固混凝土时，混凝土在受载起始阶段保持弹性变形，当弹性变形达到一定程度后，混凝土开始发生塑性变形，而碳纤维在0°方向加固混凝土时，粘结碳纤维复合材料使得整体的混凝土柱的变形基本保持在弹性范围内，没有发生屈服也没有较为明显的塑性变形区域；在设计混凝土加固铺层时，在相同载荷下，铺设0°方向的纤维层可以提高混凝土轴向的刚度，降低压缩位移，铺设90°方向的纤维层可以提高混凝土轴向应力。
　　 4.混杂复合材料使复合材料设计具有更大的优越性与灵活性，本文通过改变纤维类型和纤维铺设角度来研究碳纤维和玻璃纤维的混杂铺层加固混凝土的方式，对比分析了不同的混杂方式对纤维增强复合材料加固混凝土力学性能的影响，并从受载强度的角度初步给出优化的混杂铺层方式。结果表明，玻纤/碳纤混杂加固的混凝土柱，随着玻纤体积含量的增加，混凝土柱的抗压强度增加，而轴向压缩位移升高；采用碳纤维的主方向平行于混凝土柱的轴向，玻璃纤维的主方向围绕混凝土柱的横截面方向，可以降低混凝土柱的轴向变形，并提高混凝土柱的抗压强度。