考虑徐变效应的FRP约束混凝土塑性模型研究

摘要

混凝土材料在持续荷载作用下将产生依时性变形，同时，混凝土本构也随着时间发生变化，这一变化不但受到周围环境的影响，还与应变（或应力）状态有直接的关系。本文建立一个Drucker-Prager型塑性模型，通过将徐变中不可恢复的变形分离出来作为塑性应变，进而对强化软化函数及膨胀率函数的形式进行修正，以考虑徐变对混凝土应力应变行为的影响。
　　FRP约束混凝土柱在既有结构的修补加固及新建结构中的应用越来越广泛，研究其长期力学行为的重要性不言而喻，随着核心混凝土徐变不断改变FRP约束混凝土柱的应变状态，能够准确预测随之发生的应力应变行为依时性变化对既有混凝土结构分析有着重要意义。
　　本文主要进行了以下研究:(1)首先进行了FRP约束混凝土柱单轴受压徐变的试验和理论研究。在试验中考虑了混凝土强度、试件截面、是否配有钢筋、FRP包裹方式等因素的影响。基于微预应力固结理论和B3模型，给出了FRP约束混凝土徐变预测模型。这一模型不仅能够预测FRP约束普通混凝土柱徐变，还适用于核心混凝土强度高、掺硅粉以及变应力的情况。(2)利用所给FRP约束混凝土柱徐变模型，对FRP种类和数量、FRP材料徐变、水灰比、骨料水泥比、硅粉含量、混凝土强度、加载水平以及截面尺寸等徐变影响因素进行了分析。(3)在312天徐变试验结束后，对其中12个徐变和收缩试件进行了单轴抗压试验以测定其应力应变关系曲线。试验结果表明承受持续荷载的徐变试件与相应的收缩对比试件相比，在受压测试中表现出较高的初始刚度，较低的极限强度，较小的峰值应变和极限应变;(4)建立单轴荷载作用下Drucker-Prager型非约束和约束混凝土的塑性模型，并结合FRP的本构及侧向应力应变关系，对FRP约束混凝土柱的行为进行合理的预测。为了考虑徐变效应，利用前面所建的FRP约束混凝土柱徐变模型，可以将徐变应变中的不可恢复的变形分离出来以考虑徐变效应。
　　将建立的约束混凝土本构模型与前面的徐变模型结合，可以在实测数据缺乏的情况下对既有混凝土结构的力学行为进行预测，为结构加固设计提供依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 研究目的

1．3 研究思路

1．3．1 试验研究

1．3．2 理论研究

1．4 论文提纲

2 文献综述

2．1 混凝土徐变

2．1．1 徐变相关术语及定义

2．1．2 徐变机理

2．1．3 影响徐变的因素

2．1．4 徐变预测模型

2．1．5 高性能混凝土徐变

2．2 FRP约束混凝土徐变

2．2．1 FRP加固混凝土梁

2．2．2 FRP约束混凝土柱

2．3 徐变对混凝土力学性能的影响

2．3．1 徐变效应

2．3．2 未约束混凝土

2．3．3 约束混凝土

2．3．4 小结

2．4 约束混凝土塑性模型

2．4．1 经典塑性理论

2．4．2 约束混凝土模型

2．4．3 Drucker-Prager型塑性模型

3 AFRP约束混凝土柱徐变试验

3．1 试验程序

3．1．1 试验依据及参考

3．1．2 试验设计

3．1．3 试验材料

3．1．4 试验方法

3．2 试验结果

3．2．1 AFRP全包裹高强混凝土圆柱

3．2．2 AFRP全包裹粉煤灰混凝土圆柱

3．2．3 AFRP间隔约束高强混凝土圆柱

3．2．4 AFRP全包裹粉煤灰混凝土方柱

3．3 本章小结

4 FRP约束混凝土柱徐变模型

4．1 混凝土徐变理论与模型

4．1．1 固结理论

4．1．2 微预应力固结理论

4．1．3 B3模型

4．1．4 变应力下混凝土徐变

4．1．5 三轴应力下混凝土徐变

4．1．6 高强混凝土自生收缩模型

4．2 FRP徐变模型

4．2．1 常应力作用下的FRP徐变

4．2．2 变应力作用下的FRP徐变

4．3 FRP约束混凝土柱徐变模型

4．3．1 轴心荷载作用下FRP全包裹混凝土圆柱短期受力分析

4．3．2 轴心荷载作用下FRP全包裹混凝土圆柱徐变分析

4．3．3 轴心荷载作用下FRP间隔约束混凝土圆柱徐变分析

4．3．4 轴心荷载作用下FRP全包裹混凝土方柱徐变分析

4．4 试验结果与模型对比分析

4．4．1 AFRP全包裹高强混凝土圆柱

4．4．2 AFRP全包裹粉煤灰混凝土圆柱

4．4．3 AFRP间隔约束高强混凝土圆柱

4．4．4 AFRP全包裹粉煤灰混凝土方柱

4．5 参数分析

4．5．1 FRP种类和数量的影响

4．5．2 FRP徐变的影响

4．5．3 混凝土组分的影响

4．5．4 混凝土强度的影响

4．5．5 加载水平和尺寸的影响

4．6 本章小结

5 徐变后FRP约束混凝土柱轴心受压性能试验

5．1 试验方案

5．1．1 FRP约束混凝土圆柱

5．1．2 FRP约束混凝土方柱

5．2 徐变试验结果及分析

5．3 轴压试验结果及分析

5．3．1 FRP约束混凝土圆柱

5．3．2 FRP约束混凝土方柱

5．4 本章小结

6 考虑徐变效应的FRP约束混凝土塑性模型

6．1 引言

6．2 线弹性应力应变行为

6．3 无剪力和轴对称条件下柱面坐标系中的应力和应变

6．4 屈服和后继屈服

6．4．1 初始屈服(屈服函数)

6．4．2 有效应力σe

6．4．3 有效应力表达的屈服准则

6．4．4 有效应力表达的强化和软化函数

6．4．5 κ表达的强化和软化函数

6．4．6 κ和σeF扩之间的关系

6．4．7 极限强度条件

6．5 流动法则和塑性变形

6．5．1 流动法则

6．5．2 势函数

6．5．3 有效塑性应变εp

6．5．4 塑性应变参数^ε

6．5．5 徐变效应与塑性应变初值

6．5．6 膨胀率函数α(^ε)

6．6 强化软化函数

6．6．1 强化软化函数的峰值κo

6．6．2 强化软化函数的初值κ1c

6．6．3 初始斜率

6．6．4 峰值斜率

6．7 增量应力应变关系

6．7．1 塑性应变增量的大小dλ

6．7．2 弹塑性本构关系

6．7．3 屈服函数和势函数的偏导数

6．8 摩擦系数θ的取值

6．9 钢筋和FRP的本构模型

6．10 模型参数取值

6．10．1 κ和α函数的边界条件

6．10．2 κ(^ε)和α(^ε)的函数形式

6．10．3 参数取值

6．11 模型验证

6．11．1 AFRP约束混凝土圆柱

6．11．2 AFRP约束混凝土方柱

6．12 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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