FRP筋-钢筋增强ECC-混凝土组合柱抗震性能研究

提出一种在塑性铰区域采用高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)替代混凝土来改善FRP筋-钢筋增强混凝土柱抗震性能的新方法。对FRP筋-钢筋增强ECC-混凝土构件进行了低周往复荷载试验,系统地考察了基体材料、筋材种类、轴压比对构件破坏模态、裂缝模式、承载力、残余变形、延性和耗能能力的影响。结果表明,将ECC替代塑性铰区域混凝土能够有效避免FRP筋的受压屈曲,进而显著提升组合柱的抗震性能。与钢筋增强ECC-混凝土组合柱相比,复合筋增强ECC-混凝土组合柱的残余变形明显更小,且屈服后的刚度更高。随着轴压比的增大,构件极限强度升高但变形能力降低。通过有限元参数分析可知,组合柱的承载力和变形能力均随着ECC抗压强度及总配筋率的增大而增大;在总配筋率不变的情况下,FRP筋占比越高,构件的延性越好。     

CFRP筋增强ECC梁弯曲性能试验研究

为研究碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)筋/超高韧性纤维增强水泥基复合材料(Engineered cementitious composite,ECC)梁的抗弯性能,对3根CFRP筋/ECC梁、1根玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)筋/梁和1根CFRP筋混凝土梁进行了四点弯曲试验,分析了配筋率、纤维增强树脂复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)筋类型和基体类型对梁抗弯性能的影响。试验结果表明:CFRP筋/ECC梁与GFRP筋/ECC梁和CFRP筋混凝土梁类似,均经历了弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段;配筋率对CFRP筋/ECC梁的受弯性能影响较大。随着配筋率的增加,CFRP筋/ECC梁的承载能力不断提高,延性性能逐渐减弱;ECC材料优异的应变硬化能力和受压延性,使得CFRP筋/ECC梁的极限承载能力和变形能力均优于CFRP筋混凝土梁;由于ECC材料多裂缝开裂能力,CFRP筋/ECC梁开裂后,纵筋表面应变分布比CFRP筋混凝土梁更均匀; 由于聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)纤维的桥联作用,CFRP筋/ECC梁破坏时,其表面出现了大量的细密裂缝,且能保持较好的完整性和自复位能力;正常使用阶段,CFRP筋/ECC梁的最大弯曲裂缝宽度均小于CFRP筋混凝土梁。最后,根据试验结果,建立了基于等效应力图的CFRP筋/ECC梁弯曲承载力简化计算模型,确定模型中的相关系数。由简化模型计算的极限承载力与试验结果具有较好的相关性。      

钢筋再生混凝土柱的承压性能及强度计算

为了研究钢筋再生混凝土柱的承压性能及其强度计算方法,以有限元软件ABAQUS分析为主要研究手段,结合6个试件的实测数据,并拓展了36个试件的数值模拟分析,综合探讨了再生粗骨料取代率、体积配箍率、柱截面纵筋配筋率、长细比以及相对偏心距等变化参数对钢筋再生混凝土柱承压性能的影响规律,分别研究了钢筋再生混凝土轴心受压柱和偏心受压柱的极限承载力计算方法,并提出实用设计公式。研究结果表明:随着再生粗骨料取代率的增大,钢筋再生混凝土柱的受压承载力呈现波动性变化,但其变化幅度在15%以内;随着体积配箍率的增大,其极限承载力有小幅提高;随着截面纵筋配筋率的增大而有明显提高;而随着相对偏心距的增大,其极限承载力则明显降低;在一定范围内,随着长细比的增大,极限承载力显著变小。提出考虑取代率影响系数的钢筋再生混凝土柱极限承载力计算方法,计算结果与试验结果吻合较好。     

海水浸泡对FRP筋-珊瑚混凝土粘结性能的影响

开展了30℃海水浸泡条件下玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）筋、碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）筋与珊瑚混凝土粘结性能的试验研究,分析了纤维增强树脂基复合材料（FRP）筋-珊瑚混凝土粘结滑移曲线特征、破坏形态及粘结强度变化。试验结果表明,海水浸泡后FRP筋力学性能和粘结性能均表现为不同程度的降低。随浸泡时间增加,GFRP筋表层树脂与纤维间的孔隙率明显增大,并逐渐出现脱粘现象,纤维本身遭受到侵蚀,而CFRP筋仅表面基体有少许损伤,其耐久性明显优于GFRP筋;FRP筋-珊瑚混凝土粘结强度呈现出先增加后减小的趋势,且后期下降速率逐渐变小,部分GFRP筋-珊瑚混凝土试件的破坏模式逐渐由筋被拔出转变为筋材断裂;增加保护层厚度能有效地减缓海水对GFRP筋的侵蚀,有利于保持GFRP筋-珊瑚混凝土间的粘结性能。     

配置新型封闭缠绕式GFRP箍筋混凝土梁的受剪性能试验

对采用新型封闭缠绕式玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)箍筋的混凝土梁进行了三点加载试验,考察了箍筋形式、纵筋配筋率、剪跨比、箍筋间距对配置新型封闭缠绕式GFRP箍筋混凝土梁受剪性能的影响规律。试验结果表明,新型封闭缠绕式GFRP箍筋的弯曲段强度与平直段受拉强度之比达到0.81,是拉挤成型箍筋的2.07倍。剪跨比和箍筋间距相同时,新型封闭缠绕式GFRP箍筋混凝土梁的受剪性能更好,其材料利用效率显著高于拉挤成型箍筋。梁的抗剪承载力随纵筋配筋率增加的提高幅度不大,但梁的延性有较明显改善。当箍筋间距为75 mm,新型封闭缠绕式GFRP箍筋的应变显著增大,同时对剪压区混凝土产生一定的约束作用,提升了受剪承载力。采用中国(GB 50608-2020)、美国(ACI 440.1R-15)、加拿大(CSA S806-12)、英国(BISE-1999)和日本(JSCE-1997)五种纤维增强树脂复合材料(FRP)筋混凝土结构设计规范计算的受剪承载力显著低于试验值,建议适当提高新型封闭缠绕式GFRP箍筋的断裂应变限值。     

高强箍筋约束超高性能混凝土柱轴压性能

通过5根高强箍筋约束超高性能混凝土(Ultra high performance concrete,UHPC)柱及4根普通箍筋约束UHPC柱的轴心受压试验,对其承载力、破坏形态、钢筋应变及应力-应变曲线进行了研究,并结合延性、韧性指数分析了体积配箍率、箍筋强度、箍筋间距及形式对约束UHPC轴压性能的影响。结果表明:所有约束柱均表现为延性破坏,高强箍筋可减轻约束UHPC的破坏程度;高体积率、小间距、形式复杂的高强箍筋约束UHPC,约束效率高,承载力及变形能力提高显著,轴压性能较理想;体积配箍率对轴压性能的影响程度大于箍筋强度;影响体积配箍率变化的因素中,箍筋间距对改善约束性能的贡献最大,依次是箍筋形式和直径;高强箍筋可有效约束UHPC,在提高约束UHPC强度、变形性能及残余承载力方面明显优于普通箍筋;纵筋微曲会加速保护层剥离,密配高强箍筋能有效延迟纵筋屈曲,显著提高约束性能;纵筋微曲会削弱高强箍筋对核心UHPC的约束效果,建议采用高强纵筋与高强箍筋组合。在试验的基础上给出了能较准确预测箍筋约束UHPC柱承载力的计算式。      

CFRP筋-高强钢筋/高强混凝土柱的抗震性能

为了研究高强钢筋和碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)混合配筋/高强混凝土柱的抗震性能,对CFRP筋-高强钢筋混合配筋的高强混凝土柱进行了低周反复荷载试验和有限元分析,研究了CFRP筋的粘结条件、不同轴压比以及高强混凝土种类等参数对其抗震性能的影响。结果表明:所有的高强混合配筋高强混凝土柱均发生延性破坏;在相同条件下,高强混合配筋混凝土中分别添加了钢纤维活性粉末和钢纤维后,表现出更好的耗能能力和延性;有粘结CFRP筋混合配筋高强混凝土柱比无粘结CFRP筋混合配筋柱的变形能力和承载力分别提高了9.6%和17.1%,但是延性系数降低了22.5%;在延性破坏的条件下,随着轴压比的增加,CFRP筋-高强钢筋混合配筋柱的屈服强度和极限强度明显增大,极限位移和耗能能力也逐渐减小;高强钢筋和CFRP筋配筋率越高,高强混合配筋柱的极限承载力和变形能力越大。      

PVC-CFRP管钢筋混凝土柱的偏心受压性能

通过24根聚氯乙烯-碳纤维增强树脂(PVC-CFRP)管钢筋混凝土柱的偏心受压试验,分析了CFRP条带环箍间距和偏心距对PVC-CFRP管钢筋混凝土柱的破坏形态、承载力、应变及荷载-位移关系的影响。试验结果表明:小偏压试件发生混凝土和PVC管的压碎破坏,大偏压试件发生钢筋受拉屈服和PVC管的拉断破坏。随着偏心距和CFRP条带环箍间距的增加,与PVC管钢筋混凝土柱相比,PVC-CFRP管钢筋混凝土试件的承载力逐渐减小,小偏压试件延性系数有不同程度的提高,大偏压试件延性系数基本保持不变。纵向钢筋和混凝土应变发展基本一致,截面受压侧CFRP条带的应变较小,试件截面的应变基本符合平截面假定。试件的荷载-挠度关系和弯矩-曲率关系分为两阶段,CFRP条带环箍间距和偏心距对第一阶段基本没有影响,第二阶段为直线强化段,随着偏心距和CFRP条带环箍间距的增加,强化段的斜率逐渐减小。     

钢筋及其锈蚀对混凝土构件阻尼的影响

钢筋及其锈蚀将显著影响混凝土构件的动力特征参数。以纵筋配筋率、纵筋表面形式、箍筋间距、钢筋锈蚀率为主要参数,采用简支梁三点弯曲动态阻尼测试,研究各因素对弯曲小变形混凝土梁弹性阶段损耗因子与耗散模量的影响,探讨其作用机理,并对比分析构件刚度退化、阻尼演变随钢筋锈蚀率的变化规律。结果表明:损耗因子与耗散模量随配筋率增加先增加后减小,在配筋率为1%时达到峰值;损耗因子与耗散模量随钢筋锈蚀率增加先减小后增大,在锈蚀率为0.4%时达到最小值;损耗因子与耗散模量随箍筋间距的增大而减小;损耗因子与耗散模量按纵筋表面形式从大到小依次为月牙肋、光圆、方钢。随钢筋锈蚀率增加,阻尼比增长比刚度退化更显著,用阻尼参数探测钢筋混凝土构件的锈蚀损伤具有可行性。     

500 MPa级钢筋自密实混凝土偏压短柱受力性能试验及有限元模拟分析

通过对7根500 MPa级钢筋自密实混凝土短柱试件的偏心受压试验,研究了试件的受力特征以及高强钢筋与自密实混凝土之间的协同工作性能。试验结果表明,500 MPa级钢筋在柱中与自密实混凝土协同工作性能良好,试件在偏心受压全过程中基本符合平截面假定。采用ABAQUS软件,建立500 MPa级钢筋自密实混凝土偏压短柱的有限元模型,利用试验实测结果验证模型的适用性与可靠度,并分析自密实混凝土强度、初始荷载偏心距和纵筋配筋率对偏心受压短柱力学性能的影响规律。试验实测值与有限元模拟分析结果表明,500MPa级钢筋自密实混凝土偏压短柱正截面受压承载力可采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中的相关公式计算;为保证一定的安全储备,建议500 MPa级钢筋的设计强度取值为f_sd=f_sd'=420 MPa,材料分项系数取值为γ_s=1.2。     

纤维增强聚合物基复合材料加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压性能

为了给纤维增强聚合物基复合材料（FRP）加固腐蚀环境下钢筋混凝土圆柱的设计和施工提供参考,促进FRP加固钢筋混凝土圆柱的应用,本文通过加速腐蚀得到类似实际环境中已锈损钢筋混凝土圆柱,采用碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）条带和玻璃纤维增强聚合物基复合材料（GFRP）条带分别对锈蚀钢筋混凝土圆柱进行加固,最后对加固后圆柱进行轴心受压试验,重点研究钢筋锈蚀率、FRP层数和种类对钢筋混凝土圆柱受压承载力的影响;基于对FRP条带间隔约束效应、钢筋锈蚀对混凝土截面及钢筋力学性能影响的研究与分析,提出FRP条带间隔约束锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压承载力计算模型。试验实测值与模型计算值之比的平均值为1.020,变异系数为0.063,二者符合较好。     

Efficacy of CFRP-based techniques for the flexural and shear strengthening of concrete beams

Near surface mounted (NSM) and externally bonded reinforcement (EBR) strengthening techniques are based on the use of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) materials and have been used for the structural rehabilitation of concrete structures. In the present work, the efficacies of the NSM and EBR techniques for the flexural and shear strengthening of reinforced concrete beams are compared carrying out two experimental groups of tests. For the flexural strengthening, the efficacy of applying CFRP laminates according to NSM is compared to those resulting from applying CFRP laminates and wet lay-up CFRP sheets according to EBR technique. The influences of the equivalent reinforcement ratio (steel and laminates) and spacing of the laminates on the efficiency of the NSM technique for the flexural strengthening is also investigated. A numerical strategy is implemented to analyze the applicability of the FRP effective strain concept, proposed by ACI and fib in the design of FRP systems for the flexural strengthening. To assess the efficacy of the NSM technique for the shear strengthening of concrete beams, four beam series of distinct depth and longitudinal tensile steel reinforcement ratio are tested. Each series is composed of one beam without any shear reinforcement and one beam using the following shear reinforcing systems: conventional steel stirrups; strips of wet lay-up CFRP sheet of U configuration applied according to EBR technique; and laminates of CFRP embedded into vertical or inclined (45°) pre-cut slits on the concrete cover of the beam lateral faces, according to the NSM technique. Using the obtained experimental results, the performance of the analytical formulations proposed by ACI, fib and Italian guidelines is appraised.     

钢筋锈蚀对全珊瑚海水钢筋/混凝土柱大偏心受压性能的影响

通过对不同混凝土强度等级、不同种类钢筋的全珊瑚海水钢筋/混凝土柱（CA/CC）进行大偏心受压性能试验,研究了CA/CC的破坏形态、变形和承载力,建立了荷载-位移、荷载-应变等关系,探讨了CA/CC大偏心受压极限承载力（N_u）的计算模型。结果表明:CA/CC的受力破坏机制和形态与普通骨料钢筋/混凝土柱（OA/CC）基本相似。随着混凝土强度等级的提高,CA/CC纵向受拉钢筋应变开始突变所对应的荷载逐渐增大。在加载过程中,有机新涂层钢筋与珊瑚/混凝土（CA/C）之间产生较大的滑移,使在相同混凝土强度下,普钢钢筋CA/CC的N_u比有机新涂层钢筋CA/CC的N_u大约高7.1%~20.8%。建议在CA/C结构中采用有机新涂层钢筋,能有效的抑制钢筋发生锈蚀,从而延长CA/C结构的有效服役寿命。综合考虑钢筋锈蚀和涂层钢筋滑移的影响,提出了适用于满足高强、高耐久性要求的CA/CC大偏心受压N_u计算模型。      

CFRP网格-聚合物水泥砂浆加固RC梁抗剪承载力计算方法

为揭示碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)网格-聚合物水泥砂浆(Polymer cement mortar,PCM)抗剪加固钢筋混凝土(RC)梁的受剪机制并建立其承载力计算方法,对RC梁进行了四点弯曲试验和有限元模拟,重点分析了CFRP网格对RC加固梁的抗剪贡献,建立了基于改进的桁架拱模型的抗剪承载力计算方法。结果表明：RC梁侧粘贴CFRP网格-PCM加固层不仅可以抑制斜裂缝的发展,而且还提高了抗剪承载力;CFRP网格与钢筋之间具有良好的协同工作性能,其中,横向CFRP网格筋分担了约16%的箍筋应变;回归分析指出纵向CFRP网格筋的应变约为横向CFRP网格筋应变的0.29倍;综合考虑纵向CFRP网格的销栓作用和横向CFRP网格分担的箍筋应变,提出了基于改进桁架-拱模型的承载力计算方法,具有更好的适用性和准确性,能够满足设计要求。     

侵蚀环境下FRP条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压试验

通过侵蚀环境下碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料条带和玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱试验,分析了侵蚀环境对混凝土强度、纤维增强聚合物基复合材料加固锈蚀柱的极限荷载和荷载-轴向位移曲线的影响。结果表明,混凝土强度受冻融环境影响较大,受干湿环境影响较小;纤维增强聚合物(FRP)复合材料加固锈蚀柱的轴向极限荷载与冻融循环次数、钢筋锈蚀率及FRP复合材料种类有关,随冻融循环次数分别增加到25次、50次、75次,GFRP复合材料条带和CFRP复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱的轴向极限荷载分别降低了10.97%、13.37%、16.04%和5.95%、4.66%、4.33%;FRP复合材料加固锈蚀柱的刚度和耗能受侵蚀环境种类、侵蚀环境作用次数、锈蚀率及FRP复合材料种类的影响。在试验研究的基础上,通过理论分析侵蚀环境下混凝土强度损伤系数和锈蚀钢筋强度退化方程,提出了侵蚀环境下FRP复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压承载力计算方法。      

玄武岩纤维增强聚合物筋增强珊瑚礁砂混凝土柱轴压试验

为了解决南海岛礁强腐蚀海洋环境下普通钢筋混凝土结构耐久性不足的问题,提出一种新型玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋增强珊瑚礁砂混凝土柱。对15根混凝土柱进行了轴压试验,分析了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移和荷载-应变曲线,揭示了BFRP筋增强珊瑚礁砂混凝土柱的破坏机制。结果表明:BFRP筋增强珊瑚礁砂混凝土柱破坏模式具有三阶段特征,破坏始于强度较低的珊瑚礁石骨料,最终为珊瑚礁石骨料和交界面的整体破坏;相同配筋率下,BFRP筋增强珊瑚礁砂混凝土柱的承载力与钢筋增强珊瑚礁砂混凝土柱相当。