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FRP约束混凝土的应力—应变模型及其在加固中的应用研究

作　者: 敬登虎
导　师: 曹双寅
学　校: 东南大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 纤维增强复合材料(FRP) 约束混凝土应力-应变轴心受压柱偏心受压柱应变滞后应变梯度
分类号: TU375
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

纤维增强复合材料或塑料(Fiber reinforced polymer or plastics,简称FRP)作为一种新型的补强修复材料,凭借其高强、轻质等优异材料属性,以及施工简便、不增加构件截面尺寸等诸多优点,已经在土木工程结构加固中开始得到大量的应用;尤其在加固柱、桥墩方面,通过有效约束混凝土的侧向膨胀变形来改善其受压性能。目前国内外关于这方面的研究工作开展的较多,并取得了一些成果,但是仍处于逐步完善的过程,且理论研究的深度远滞后于实际工程应用。本文收集了近几十年来关于FRP约束混凝土的试验研究与分析成果,结合FRP包裹轴心、偏心受压矩形截面柱的试验研究,对FRP约束混凝土的本构关系、FRP约束钢筋混凝土柱的力学性能等进行了较为深入的研究和分析,主要的研究内容和成果如下:阐述了相对较为典型的FRP约束混凝土圆柱体应力、应变及其对应关系曲线的计算模型,根据收集到的250多个试验构件的试验数据,对峰值点的应力、应变模型进行了比较分析。此外,对未约束混凝土强度等级、侧向约束强度等参数进行了定量分析。剖析了FRP约束混凝土的机理以及与钢约束的不同之处。通过相关试验数据,发现FRP约束混凝土圆柱体的环向拉应变与水平拉伸极限应变之间存在着较大的差异,认为目前侧向约束强度的取值并不能真实反映其物理意义,并分析了引起该现象的可能原因。鉴于此,提出了新的有效侧向约束强度计算公式。对试验研究得到的FRP约束混凝土圆柱体的应力-应变曲线形状进行分析,总结出简化的多线型曲线能很好地模拟FRP约束混凝土圆柱体的应力-应变关系;基于相关学者提出的侧向膨胀系数的极限值为渐近值的前提,根据有效侧向约束强度、未约束混凝土强度,提出了新的极限侧向膨胀系数的计算公式。通过分析约束混凝土体积应变的发展规律,结合侧向膨胀系数在极限状态下的渐近值,确定强、弱约束判断标准函数的构建模式,根据收集到的试验数据进行整理和分析,给出了强、弱约束的界限值判断公式。根据约束混凝土的应力、应变与荷载路径的相关性分析,得到FRP约束混凝土强度为荷载路径的无关量,而应变为路径相关量。最后给出FRP约束混凝土圆柱体分别在强、弱约束两种情况下控制点的应力、应变计算模型及其关系曲线。对于FRP弱约束情况,由于曲线下降段极限点的不确定性,本文提出了在轴向应变为峰值应变1.9倍对应点设定参考点来确定下降段直线。对已有FRP约束矩形截面混凝土柱的轴向应力、应变及其相应曲线的计算模型进行了比较分析。阐述了FRP约束矩形截面与圆柱体的不同之处,以及FRP约束矩形截面的自身特点。结合相关试验数据给出了拐角应力集中导致的FRP外包矩形截面时,其拉伸强度削弱系数的计算公式;对于截面形状、长宽比的影响,接受Teng et al.提出的计算公式。综合考虑这些参数影响,提出了等效侧向约束强度、刚度计算公式。基于收集到的试验数据进行整理和分析,提出了强、弱约束的界限值判断公式。最后给出FRP约束矩形截面分别在强、弱不同约束情况下,控制点的应力、应变计算模型和应力-应变曲线计算方程。其中,弱约束情况采取如同约束圆柱体的参考点思路进行。基于Spoelstra et al.提出的迭代分析模型,对转折点、极限点的应力、应变加以修正。根据本文对FRP约束矩形截面的混凝土力学性能的分析结果以及等效圆的概念,将该分析模型延伸到模拟FRP约束矩形截面混凝土的轴向应力-应变曲线。给出FRP强约束、弱约束无下降段轴向应力-应变曲线流程图,通过与相关试验得到的曲线进行比较,结果表明本文模型模拟曲线与试验曲线吻合的较好,其中FRP约束圆柱体的优于约束矩形截面。通过对国内外关于FRP约束加固混凝土柱的试验和理论研究成果的分析,在理论上分析探讨了混凝土负荷外包FRP后外包纤维的应变滞后机理。根据目前研究结果以及本文提出的分析模型,分别给出箍筋、FRP约束混凝土后的轴心抗压强度。针对FRP在混凝土负荷情况下包裹约束,提出了滞后因

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章前言  12-25
  1.1 FRP 在土木工程中的应用  12-13
  1.2 FRP 约束混凝土柱的国内外研究动态  13-18
    1.2.1 国内研究动态  13-15
    1.2.2 国外研究动态  15-16
    1.2.3 研究总结及存在的问题  16-18
  1.3 本文的主要研究内容及意义  18-19
    1.3.1 本文的主要研究内容  18
    1.3.2 本课题的意义  18-19
  1.4 本章小结  19
  参考文献  19-25
第二章 FRP 约束圆柱体已有模型的比较研究及参数分析  25-46
  2.1 典型模型的详细概述  25-32
  2.2 计算模型的比较分析  32-40
    2.2.1 应力－应变曲线模型  32
    2.2.2 峰值点应力计算模型  32-38
    2.2.3 峰值点应变计算模型  38-40
  2.3 参数分析  40-43
    2.3.1 未约束混凝土的抗压强度影响  40-41
    2.3.2 侧向约束强度的影响  41-43
    2.3.3 侧向约束刚度的影响  43
  2.4 本章小结  43
  参考文献  43-46
第三章 FRP 约束混凝土圆柱体的应力－应变模型建立研究  46-70
  3.1 约束混凝土计算模型构式  46-47
  3.2 FRP 约束混凝土的特性  47-48
  3.3 有效侧向约束强度分析与确定  48-52
    3.3.1 问题的提出  48-49
    3.3.2 有效侧向约束的研究概况  49
    3.3.3 影响因素分析  49-50
    3.3.4 有效侧向约束强度的确定  50-52
  3.4 FRP 约束圆柱体本构关系曲线特征  52-56
    3.4.1 轴向应力－应变曲线特征  52-54
    3.4.2 轴向应力－侧向应变曲线特征  54-56
  3.5 有效侧向约束强弱的界定  56-58
  3.6 应力、应变的荷载路径相关性  58-59
  3.7 应力－应变曲线计算模型  59-66
    3.7.1 基本假设  59
    3.7.2 FRP 强约束峰值点应力、应变计算模型  59-61
    3.7.3 FRP 弱约束应力、应变计算模型  61-63
    3.7.4 应力－应变曲线  63
    3.7.5 计算模型的试验数据验证  63-66
  3.8 本章小结  66-67
  参考文献  67-70
第四章 FRP 约束矩形截面混凝土柱的应力－应变模型研究  70-90
  4.1 FRP 约束矩形截面特点  70
  4.2 研究现状  70-74
    4.2.1 国内研究现状  70-73
    4.2.2 国外研究现状  73-74
  4.3 已有应力、应变计算模型比较分析  74-77
  4.4 拐角削弱系数  77-78
    4.4.1 问题的提出  77-78
    4.4.2 相关分析和试验研究  78
    4.4.3 本文建议削弱系数  78
  4.5 矩形截面约束性能参数分析  78-80
    4.5.1 截面形状系数  79
    4.5.2 非连续约束系数  79
    4.5.3 等效侧向约束强度  79-80
    4.5.4 等效侧向约束刚度  80
  4.6 FRP 约束矩形截面柱应力－应变曲线特征  80-81
  4.7 强、弱约束临界点确定  81-82
  4.8 约束混凝土控制点应力、应变计算模型  82-85
    4.8.1 荷载路径相关量分析  82
    4.8.2 控制点确定  82-83
    4.8.3 转折点应力、应变计算模型  83-84
    4.8.4 参考点应力计算模型  84
    4.8.5 极限点应力、应变计算模型  84-85
  4.9 应力－应变关系模型  85-88
    4.9.1 应力－应变关系模型  85-86
    4.9.2 模型与试验曲线比较  86-88
  4.10 本章小结  88
  参考文献  88-90
第五章基于迭代分析的FRP 约束混凝土应力－应变曲线  90-101
  5.1 研究概况  90
  5.2 模型思路  90-93
    5.2.1 未约束混凝土模型  90-91
    5.2.2 约束混凝土模型  91-93
  5.3 参数取值及程序流程图  93-97
    5.3.1 参数取值  93-95
    5.3.2 程序流程图  95-97
  5.4 分析模型验证  97-99
    5.4.1 圆柱体试验验证  97-98
    5.4.2 矩形截面试验验证  98-99
  5.5 本章小结  99
  参考文献  99-101
第六章 FRP 约束矩形截面钢筋混凝土柱轴心受压理论与试验分析  101-115
  6.1 研究现状  101-102
  6.2 负荷下的应变滞后分析  102-103
  6.3 轴心受压承载力计算模式  103-108
    6.3.1 箍筋对混凝土矩形柱的约束贡献  103-105
    6.3.2 FRP 对混凝土矩形柱的约束贡献  105-106
    6.3.3 负荷约束下的滞后因子  106-107
    6.3.4 FRP 包裹钢筋混凝土矩形柱轴压承载力计算公式  107-108
  6.4 试验分析  108-111
    6.4.1 试验介绍  108-109
    6.4.2 试验结果及构件破坏形态  109-111
  6.5 理论计算与试验结果对比  111-112
  6.6 本章小结  112
  参考文献  112-115
第七章 FRP 约束方形截面钢筋混凝土柱偏心受压的试验研究  115-125
  7.1 试验设计  115
  7.2 材料力学性能  115-116
  7.3 试验方法及测试内容  116-117
  7.4 试验结果及分析  117-123
    7.4.1 试件破坏特征  117-119
    7.4.2 承载力  119-120
    7.4.3 柱截面应变分布  120-121
    7.4.4 碳纤维布横向拉应变分布  121-122
    7.4.5 荷载－挠度曲线  122-123
    7.4.6 M - N 曲线  123
  7.5 本章小结  123-124
  参考文献  124-125
第八章 FRP 约束矩形截面钢筋混凝土偏心受压柱的计算方法及应用  125-144
  8.1 国内外研究概况  125-127
  8.2 轴向力偏心距增大系数  127-129
  8.3 承载能力计算方法  129-138
    8.3.1 截面受压区域极限状态下各点的应力、应变  129-130
    8.3.2 修正等效矩形应力图形  130-135
    8.3.3 界限相对受压区高度值  135-136
    8.3.4 应变梯度修正系数  136
    8.3.5 承载力计算公式  136-137
    8.3.6 比较分析  137-138
  8.4 FRP 包裹钢筋混凝土矩形柱的轴压比限值分析  138-140
    8.4.1 未约束钢筋混凝土柱的轴压比计算  138-139
    8.4.2 包裹FRP 后钢筋混凝土柱的轴压比计算  139-140
  8.5 加固设计建议与工程算例  140-141
    8.5.1 外包FRP 加固柱设计建议  140
    8.5.2 工程算例  140-141
  8.6 本章小结  141-142
  参考文献  142-144
第九章结论与展望  144-148
  9.1 主要工作及结论  144-147
  9.2 主要创新点  147
  9.3 有待研究的问题  147-148
作者简介及发表论文清单  148-149
致谢  149

FRP约束混凝土的应力—应变模型及其在加固中的应用研究

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