受压区约束的U型FRP-混凝土梁抗弯性能研究

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钢筋混凝土存在自重大、延性差、耐腐蚀性差、耐久性差等问题,不仅严重制约着混凝土结构的使用和发展,也影响结构抗震。近几十年来,FRP因其出色的性能被广泛应用于混凝土既有结构的加固补强和各种新型组合结构的设计中,其中FRP-混凝土复合结构体系是近几年的研究热门方向,其通常是由预制的FRP约束构件和现浇混凝土组合构成,具备优异的受力性能,有良好的应用前景。梁构件的破坏主要取决于受压区混凝土。传统的钢筋混凝土梁存在脆性破坏的问题,这可以通过局部约束解决,对受压区的混凝土进行约束可以使得受压区整体的抗压强度和极限应变得到提高,提高梁的受力性能,提高结构抗震能力。再生混凝土的发展是解决日益增多的建筑垃圾和自然资源匮乏问题的重要途径之一,有利于建筑垃圾资源化。研究表明,再生混凝土构件在箍筋、FRP等增强材料约束下的受力性能可以得到极大的提升。目前国内外对约束再生混凝土结构构件的研究大多偏向于柱构件,为了促进再生混凝土早日实现规模化的工程应用,对约束再生混凝土梁构件的研究有待进一步开展。基于上述背景,本文提出了一种局部约束的创新性FRP和混凝土组合构件,并引入再生混凝土梁试件,以探究此FRP与混凝土组合形式及受压区约束形式对普通&再生混凝土梁抗弯性能的影响。本文对受压区约束的U型FRP-混凝土梁进行了抗弯性能试验研究及理论分析。试验共对14根中型尺寸(1800 mm长、100mm宽和160 mm高)的梁试件进行两点弯曲下的静力加载,包括1根普通混凝土对比梁、1根再生混凝土对比梁、4根无螺旋箍筋约束受压区的FRP-混凝土梁(其中包括1根FRP-再生混凝土梁试件)和8根受压区有螺旋箍筋约束的FRP-混凝土梁(其中包括两根FRP-再生混凝土梁试件)。试验变量包括:(1)U型FRP壳中的C/GFRP层数;(2)受压区的螺旋箍筋;(3)混凝土类型。在试验的基础上,本文对U型FRP-混凝土梁的破坏模式、荷载-挠度关系、延性变形能力和荷载-应变关系等进行分析。结果表明,不管对于普通混凝土试件还是再生混凝土试件,U型FRP壳都有利于提高梁的屈服荷载和峰值荷载。受压区的螺旋箍筋约束对于U型FRP-混凝土梁在荷载方面的提高作用不大,但可显著提高梁的延性,并且螺旋箍筋间距越小,对U型FRP-混凝土梁的延性变形能力的提高作用越大,同时对其破坏模式也有一定的影响。FRP普通混凝土梁试件和FRP再生混凝土梁试件的荷载-位移曲线形状差异不大,但普通混凝土试件在承载力和延性性能方面略优于再生混凝土梁试件。本文还采用OpenSEES有限元软件对受压区约束的U型FRP-混凝土梁进行有限元模型建立和非线性分析,并将理论结果同试验结果作对比分析,验证有限元模拟的准确性和可靠性,同时也进一步佐证了试验结论的正确性。
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