考虑GFRP筋拉伸性能劣化的GFRP筋-钢筋双层配筋墩柱抗震性能研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huangjl41
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为解决近海墩柱中由钢筋锈蚀引起的构件性能退化问题,使用纤维增强复合材料(Fiber-reinforced polymer,FRP)筋代替或部分代替钢筋的截面配筋形式逐渐受到关注。然而,以上两种配筋形式分别面临着耗能能力不足和严酷环境下钢筋锈蚀的问题。FRP筋-钢筋双层配筋形式可以很好地解决以上问题。在双层配筋柱中,钢筋布置于内层,以确保足够的混凝土保护层厚度,同时发挥其耗能优势;外层受力筋使用FRP筋,以发挥其相对钢筋更高的拉伸强度、长期性能以及减小震后残余位移的能力。在工程建设领域,玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber-reinforced polymer,GFRP)筋凭借其经济成本优势成为应用最广泛的FRP筋。然而,对GFRP筋长期性能及其耐久性设计指标的研究尚不充分。本文采取理论分析、试验研究、数值模拟相结合的方法,针对FRP筋的拉伸强度、弹性模量,以及两种受力筋(FRP/钢筋)配筋比例对墩柱性能的影响开展研究,给出综合考虑耐久性能与抗震性能的截面设计方法,可以完善FRP筋-钢筋双层配筋截面设计理论,推动其在土木工程中应用。本文的主要研究内容和研究成果如下:(1)针对淡水、海水、湿度环境三种不同使用工况,开展实验室加速试验,研究GFRP筋拉伸强度劣化规律、预测公式及在不同工况间的转化关系,并提出环境转化的概念。研究结果表明:淡水及高湿度环境对GFRP筋拉伸性能的影响明显;海水浸泡以及湿度环境对GFRP筋拉伸性能的影响与混凝土保护层厚度相关;混凝土的水灰比越大对GFRP筋的拉伸强度影响越大;基于试验结果分别给出包含混凝土保护层厚度及水灰比、海水、湿度的GFRP筋拉伸强度预测修正公式与环境转化的计算式。(2)基于FRP筋-钢筋双层配筋混凝土柱的轴压试验结果,确立了双层箍筋约束效率,给出双层配筋柱约束混凝土的应力-应变关系及其峰值应力、峰值应变、极限应变的计算公式;基于应变协调原则,提出双层配筋柱的截面承载力计算公式。(3)建立简支梁桥有限元分析模型,研究FRP筋拉伸强度与弹性模量、FRP筋替换比例对FRP筋-钢筋双层配筋柱的延性、屈服后刚度、柱顶最大侧向位移与震后残余位移的影响,并与钢筋混凝土柱的抗震性能进行比较。研究结果表明:双层配筋柱中内层钢筋的混凝土保护层厚度可满足极端环境下的耐久性设计要求;FRP筋-钢筋双层配筋柱的抗震性能总体表现优于钢筋混凝土柱,在延性、屈服后刚度、减小残余位移等方面具有明显优势;当FRP筋拉伸强度劣化至极限拉伸强度的55%以下时,开始对延性产生较大影响,下降至40%后,对柱顶最大侧向位移的影响才开始显现;虽然FRP筋拉伸强度下降会增加双层配筋柱的残余位移,但仍显著小于钢筋混凝土柱的残余位移;推荐使用低弹性模量高拉伸强度的FRP筋,如GFRP筋,以避免柱发生FRP筋拉断破坏。(4)对墩柱在地震激励下的结构易损性进行分析,研究FRP筋拉伸强度劣化与结构易损性的关系,给出了FRP筋耐久性设计指标与推荐取值。研究结果表明:在倒塌损伤状态下,双层配筋柱易损性比钢筋配筋柱最高可降低30.2%;FRP筋替换比例对易损性结果影响较大,当双层配筋截面的钢筋用量为钢筋混凝土截面的66%时,得到的超越概率最低;建议FRP筋的极限拉应变可作为FRP筋耐久性设计指标,根据FRP筋替换比例不同,取值为0.013至0.016。最后,完善了综合考虑耐久性能与抗震性能的双层配筋柱截面设计理论。
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