火灾后碳纤维布约束混凝土棱柱体受力性能试验研究及分析

目前,火灾后CFRP约束混凝土棱柱体应力-应变关系模型尚未发现,给混凝土受压构件火灾后碳纤维布加固力学性能的研究带来了极大的不便。该文综合考虑多种影响因素,对火灾后CFRP约束混凝土棱柱体应力-应变关系进行了试验研究。试验结果表明,火灾后CFRP约束混凝土棱柱体能大幅提高其强度;火灾后CFRP约束混凝土棱柱体在曾达最高温度,转角半径、CFRP用量相同的情况下,布幅宽因素对其特征参数和应力-应变全曲线的影响较小;温度因素、用量因素以及转角半径因素对火灾后CFRP约束混凝土棱柱体的特征参数均有不同程度的影响。根据试验结果提出的火灾后CFRP约束混凝土棱柱体的应力-应变关系模型与试验曲线大致吻合,具有较好的精度,为混凝土结构火灾后加固的精确计算奠定了可靠的基础。     

不同应变速率下CFRP约束混凝土方柱的力学性能

为研究不同应变速率下碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束混凝土方柱的力学性能,本文采用CFRP约束倒角半径为15 mm、45 mm、60 mm的方形试件,进行应变速率为3.3×10^-5 s^-1、3.3×10^-3 s^-1的加载试验,分析了试件倒角半径和应变速率对CFRP约束混凝土方柱的应力-应变曲线、轴向应变-环向应变曲线和抗压强度的影响。结果表明,试件的应力-应变曲线的第二段斜率和抗压强度均随着试件倒角半径与应变速率的增加而增大;轴向应变-环向应变曲线的斜率随着应变速率的增加而增大,随着CFRP的层数增大而减小。最后基于试验数据对现有文献的模型进行评估,结果表明Lin等模型的预测结果与准静态下FRP约束混凝土方柱的轴向应变-环向应变关系曲线比较吻合,魏洋等模型能够预测FRP强弱约束状态,Cao等模型可以用于预测不同应变率下CFRP约束混凝土方柱的抗压强度。研究成果为CFRP约束混凝土方柱的进一步应用提供了试验依据与理论基础。     

高温后碳纤维布约束混凝土轴压力学性能试验

通过对20个经历四种不同高温后的素混凝土和无机胶粘贴碳纤维布加固混凝土圆柱体的轴压力学性能试验,研究了无机胶粘贴碳纤维布约束混凝土在经历不同高温后抗压强度、极限压应变和应力-应变关系的变化,得出所经历高温过程对其轴压力学性能的影响。结果表明:无机胶粘贴碳纤维布约束混凝土经历高温后的破坏形态与常温下基本相似;其抗压强度在经历100℃高温后,下降仅5%左右,在经历200℃、300℃和400℃高温后,约为常温试件的85%~90%;无机胶粘贴碳纤维布约束混凝土的极限压应变在100℃高温后略有减小,在200℃~400℃高温后则比常温下增大20%左右;碳纤维约束对核心混凝土抗压强度的提高作用,会随试件所经历温度的升高而逐渐增大;无机胶粘贴碳纤维布约束混凝土的应力-应变曲线在经历高温后会明显趋于扁平,并且多了一个呈上凹状的压密阶段。     

CFRP约束钢管-活性粉末混凝土短柱轴压性能

为研究圆碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束钢管-活性粉末混凝土(RPC)短柱的轴压性能,以CFRP粘贴层数和钢管壁厚为参数进行了12根CFRP约束钢管-RPC短柱、4根钢管-RPC短柱及4根钢管短柱的轴压力学性能试验。通过荷载-位移曲线分析了CFRP层数和钢管壁厚对试件极限荷载和变形能力的影响,探讨了提高系数、CFRP应变效率和延性系数等相关性能指标,最后通过提高系数关联套箍率提出了CFRP约束钢管-RPC短柱承载力模型。结果表明:CFRP约束能有效地增强钢管-RPC短柱的承载能力和变形能力。与CFRP约束钢管-混凝土相比,CFRP约束钢管-RPC表现出CFRP应变效率的下降,并且其延性不如CFRP约束钢管-混凝土。在钢管-RPC承载力的基础上提出了实用的CFRP约束钢管-RPC短柱轴压承载力计算模型。      

硫酸盐环境中CFRP约束劣化混凝土柱的力学性能

为研究碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固经硫酸盐腐蚀劣化后混凝土柱的力学性能,构建CFRP约束劣化混凝土的力学模型,采用CFRP约束普通混凝土后腐蚀和CFRP约束劣化混凝土两种工况进行试验,在试验研究基础上,引入损伤率及强度保持率作为损伤的量化指标,建立两者之间的关系;通过对CFRP约束混凝土强度及应变规律的回归分析,建立适用于硫酸盐环境下CFRP约束劣化混凝土的极限强度、应变模型及应力-应变关系模型。结果表明:随侵蚀时间增长,两种工况下CFRP约束混凝土极限强度和应变的变化规律及劣化速度均不同。预劣化的混凝土柱虽然进行了表面处理,但内部已经存在损伤,在侵蚀环境中采用CFRP加固混凝土柱时,应该考虑混凝土初始损伤的影响。      

玄武岩纤维布约束高温损伤混凝土方柱轴压力学性能试验

对36个玄武岩纤维布增强聚合物基复合材料（BFRP）约束的高温损伤混凝土方柱和15个不同高温损伤的对比试件进行了轴压试验。试验表明,玄武岩纤维布横向约束能改变高温损伤后混凝土方柱的破坏形态,显著提高混凝土方柱的轴压强度和变形能力。其中三层玄武岩纤维布包裹的200℃、400℃、600℃和800℃高温损伤混凝土方柱轴压强度分别提高了48%、130%、206%和389%,轴向变形分别提高了433%、344%、319%和251%。采用典型的纤维增强聚合物基复合材料（FRP）约束常温未损伤混凝土轴压力学性能的设计模型预测FRP约束高温损伤混凝土的轴压强度和变形时存在较大的偏差。通过构建柱状膜结构静水压力平衡模型和约束混凝土方柱与FRP体积应变能平衡模型,分别改进了FRP约束混凝土方柱轴压极限应力和极限应变计算模型的基本形式。基于该基本形式和试验数据,分别确定了BFRP约束高温损伤混凝土方柱轴压极限应力和极限应变计算中与温度相关的参量,提出了适用于高温损伤混凝土方柱的轴压极限应力和极限应变的设计模型。      

混凝土帆布与CFRP条带联合加固方形截面混凝土短柱轴心受压力学性能

通过混凝土帆布(CC)与碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)条带联合加固混凝土方柱轴压试验,研究了纤维条带约束率、CFRP宽度与间距、层数对混凝土方柱轴压力学性能的影响,分析加固后混凝土方柱的破坏形态、承载力、耗能能力及变形能力。研究结果表明：CC的加入可以缓解角部应力集中,明显提高试件的变形能力,改善柱的破坏形态;条带宽度与间距对试件承载力和耗能能力的影响归结于纤维条带约束率,随着纤维条带约束率与CFRP层数的增加,试件的承载能力与耗能能力不断提高;当纤维条带约束率为0.5、宽度与间距为50 mm时,承载力与耗能能力最大。在试验研究的基础上,对有效约束面积变化进行理论分析,得出CC在联合加固中起到的作用,并建立联合加固混凝土方柱轴心受压承载力模型,通过误差分析可知,该模型具有较高的预测精度。     

FRP非均匀约束海水海砂混凝土方柱轴压性能

为扩大纤维增强树脂复合材料(FRP)-海水海砂混凝土(SSC)组合结构的应用范围,改善FRP约束海水海砂混凝土柱脆性破坏特性,对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)非均匀约束海水海砂混凝土方柱的轴压性能进行了研究。试验结果表明：由于CFRP非均匀约束试件中沿高度方向CFRP厚度并不相等,因而整个破坏过程具有明显的预兆,故脆性行为得到明显改善。相比于相同体积率下的全包裹和条带约束试件,其具有更优越的力学性能,尤其是在净距比较小的情况下。随着外部CFRP条带净距的下降和层数的增加,试件的极限强度和变形能力显著提高。具体而言,由于FRP条带净距的降低导致试件的极限强度增幅在5.4%～18.5%不等,而在净距比固定状态下,当外部条带层数增大1倍后,极限强度与应变的最大增幅分别为15.8%和21.8%。最后基于试验数据,对现有部分代表性应力-应变模型对于非均匀约束混凝土的适用性进行了讨论,并给出了所有模型对于试件极限状态的预测精度与误差大小。     

CFRP复合材料加固钢筋混凝土柱偏心受压性能尺寸效应的试验

碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料是一种具有轻质、高强和抗腐蚀等优点的新型高性能材料,为了研究尺寸效应对CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱偏心受压性能的影响,本文进行了相关的试验研究。试验共制作了15根尺寸成比例的钢筋混凝土柱试件,试验考虑了构件尺寸、偏心距和CFRP复合材料布加固层数三种因素的影响。试验结果表明:CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱的破坏形态、相对挠度、CFRP复合材料布峰值应变、钢筋峰值应变都存在明显的尺寸效应; CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱的极限荷载随偏心距的增大而减少,尺寸越大,减小趋势越平缓;在相同偏心距下,随着CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱试件截面尺寸的增加,安全储备系数逐渐减小。      

高温作用下混凝土动态力学性能时间效应试验研究

为研究混凝土的高温动态力学性能,采用ANSYS软件对C60混凝土试件加热过程中的温度场进行计算,以确定不同温度组试件的加热时间。利用SHPB试验装置和加热电阻炉进行高温下不同加热时间的混凝土抗冲击性能试验研究。试验结果表明:C60混凝土表现出明显的温度效应和时间效应,在不同高温下,随着加热温度的升高试件动态抗压强度先增大后减小,峰值应变增大,且在200℃左右动态抗压强度达到最大;在相同高温不同加热时间的条件下,随着加热时间的增加,试件动态抗压强度不断降低,峰值应变增大,弹性模量减小,且在500℃的稳态温度场中,当加热时间190 min时,试件动态抗压强度不再降低趋于稳定。     

CFRP布加固方案对RC梁剪切性能及尺寸效应影响分析EI北大核心CSCD

采用同时考虑混凝土材料非均质性、钢筋与混凝土之间的相互作用以及CFRP布与混凝土之间的相互作用影响的三维细观数值模拟方法,建立了CFRP布加固RC梁剪切破坏力学分析模型。在验证了细观数值方法合理性的基础上,设计并建立了12根CFRP布加固RC梁细观模型,探究相同CFRP配纤率(用布量)前提下,不同CFRP布加固方案对单调荷载作用下RC梁的剪切性能及尺寸效应的影响。结果表明:CFRP布应变分布与裂缝位置紧密相关,越靠近裂缝位置的CFRP布应变越大,提供的抗剪贡献越多;在CFRP配纤率一致的前提下,CFRP布宽度大厚度小的加固方案优于CFRP布厚度大宽度小的加固方案;CFRP布U型加固RC梁剪切强度存在尺寸效应现象,但相同CFRP配纤率下,不同CFRP布加固方案对名义抗剪强度尺寸效应的影响较小,可以忽略。     

圆角半径对碳纤维增强聚合物复合材料布约束型钢混凝土矩形短柱轴压性能的影响

为研究圆角半径对碳纤维增强聚合物 （Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）复合材料约束型钢混凝土矩形短柱轴压性能的影响,对1个对比构件和5个不同圆角半径的约束构件进行静力轴压试验。试验结果表明:随圆角半径增大,柱外围的CFRP复合材料布环向应变更高且分布趋于均匀;约束柱的峰值荷载和延性也随之增大,荷载-变形曲线在峰值荷载后由平缓的下降段逐渐向上升段转化。通过建立三维有限元模型进行数值分析,可见随圆角半径增大,构件横截面上混凝土有效约束区面积增大,混凝土压应力分布趋于均匀;型钢包围的核心区混凝土应力则显著增大。随后对截面的混凝土约束区域进行了划分,设定型钢包围部分为高强约束区,最后基于叠加法建立了约束组合短柱的轴压承载力计算公式。计算显示增大圆角半径降低了组合柱的横截面积,但却显著提高了约束后柱的轴压承载力。      

玄武岩纤维布增强树脂基复合材料约束高温损伤混凝土轴压力学性能

对36个玄武岩纤维布增强树脂基复合材料（BFRP）约束加固的高温损伤混凝土圆柱体和15个不同高温损伤的对比试件进行了轴压试验。试验表明,BFRP侧向约束能显著改变混凝土圆柱体的破坏形态,提高混凝土圆柱体的轴压强度和变形能力。其中二层BFRP包裹的200℃、400℃、600℃和800℃高温损伤混凝土圆柱体的轴压强度分别提高了56%、82%、234%和250%,轴向变形分别提高了328%、198%、232%和136%。采用典型的纤维增强复合材料约束常温未损伤混凝土轴压强度和变形计算模型预测纤维增强复合材料约束高温损伤混凝土轴压极限强度和极限变形时存在较大的偏差。基于本文试验数据,确定了BFRP约束高温损伤混凝土极限应力和极限应变计算模型中与温度相关的参量,建议了适用于预测纤维增强复合材料约束高温损伤混凝土的极限应力计算模型和极限应变计算模型。     

部分预制装配型钢混凝土柱火灾后偏压试验研究

通过6个试件的火灾后偏压试验以及1个试件的常温下偏压试验,对配置活性粉末混凝土外壳的部分预制装配型钢混凝土（Partially Precast Steel Reinforced Concrete,PPSRC）柱和空心预制装配型钢混凝土（HollowPrecast Steel Reinforced Concrete,HPSRC）柱的火灾及火灾后偏压性能进行了对比分析。研究了受火时间、偏心率和核心混凝土强度对PPSRC柱及HPSRC柱的火灾下内部温度分布及火灾后剩余承载力、变形能力等方面的影响,并基于试验结构,对火灾下试件截面温度场进行了数值模拟分析。试验结果表明:火灾升温过程中试件截面测点温度存在明显的温度平台,火灾后试件的活性粉末混凝土外壳未发生爆裂现象,混凝土对型钢具有较好保护作用;模拟结果表明,截面温度及温度变化幅度由表及里逐渐降低,核心混凝土受到良好保护作用,温度相对较低;在偏压荷载下,火灾后试件的偏心受压破坏过程以及破坏形态和常温下类似,剩余承载力随火灾升温时间的增长和偏心率的增大而降低,随核心混凝土强度的增大而升高,试件的延性随核心混凝土的强度增大而增大。     

模拟不中断交通状况下粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁试验研究

为了调查动荷载作用下碳纤维布与钢筋混凝土梁的粘贴性能及加固效果,进行了5根模拟交通荷载(等幅正弦波形动荷载)作用下粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁和1根保持荷载下粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁以及2根对比梁的试验研究。试验中考虑了混凝土等级、配筋率、有无锚固条、粘贴长度、荷载幅值5个变化参数。试验结果表明,在模拟交通荷载的作用下,碳纤维布加固的钢筋混凝土梁粘贴性能满足要求,粘贴效果良好。在模拟交通荷载后的静载作用下,试验梁的抗弯承载力提高较多,加固效果明显,进一步验证了粘贴效果。     

新型碳纤维增强复合材料-钢复合管海水海砂混凝土圆柱轴压试验

为研究原状海水海砂混凝土在复合管混凝土中的应用可行性,提出一种新型由内外壁纤维增强复合材料(FRP)和夹心钢管复合的碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢复合管海水海砂混凝土柱结构。对12个新型CFRP-钢复合管海水海砂混凝土圆柱试件进行了轴压试验,研究了CFRP层数和核心混凝土强度等级变化对其轴压性能的影响。试验结果表明,内外壁CFRP的包裹能够有效地提高结构承载力和变形能力;CFRP-钢复合管海水海砂普通混凝土圆柱破坏形态为混凝土压溃,而CFRP-钢复合管海水海砂高强混凝土圆柱破坏形态为剪切破坏;结构的极限应力与CFRP层数、混凝土强度呈正相关,而极限应变随着CFRP层数增加而提高,却随着混凝土强度提高而减小;核心混凝土和钢管对极限应力的贡献随着CFRP层数增加基本不变,且当包裹两层及以上CFRP时,CFRP对试件极限应力的贡献占主导地位。      

轴压作用下CFRP加固圆钢管混凝土短柱的承载力分析

对碳纤维增强复合材料（CFRP）加固圆钢管混凝土（C-CFST）短柱的轴向承载力进行了理论研究。基于连续介质力学,考虑钢管与混凝土处于三向应力状态,CFRP处于环向受拉的应力状态,建立了CFRP-圆钢管混凝土（C-CFRP-CFST）短柱的理论分析模型。通过理论推导,得到了轴压作用下C-CFRP-CFST短柱的屈服承载力及极限承载力的理论计算公式,并将理论解与已有试验值做比对,证明了理论公式预测的精度。最后采用提出的理论公式对C-CFRP-CFST短柱的轴向承载性能进行了参数分析。研究表明:提高钢管屈服强度及混凝土立方抗压强度或减小钢管径厚比D_s/t_s,都会提高C-CFRP-CFST短柱的极限承载力及屈服承载力;增加CFRP层数和CFRP环向抗拉强度也会提高极限承载力,但CFRP层数对屈服承载力影响较小,CFRP的抗拉强度对屈服承载力没有影响。