碳纤维网格筋混凝土板平面内压剪性能试验研究

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碳纤维复合材料在土木工程领域获得的广泛的应用与研究。碳纤维网格筋作为一种较为新型的产品形式开始被广泛关注。对于墙板类混凝土构件,采用正交网格布筋形式是最常用的。碳纤维网格筋是通过连续纤维浸渍在树脂基体中形成的纵横交错的整体性正交网格状的硬质产品。与钢筋材料绑扎形成的网格产品相比,碳纤维网格筋具有整体性能好、施工便捷,且轻质、高强且耐腐蚀等优异性能。因此,研究碳纤维网格筋混凝土板的平面内压剪力学性能具有重要的意义。本文从理论分析、试验研究和程序编写三个方面对6块混凝土试验板的平面内压剪力学性能展开了研究,即5块碳纤维网格筋混凝土试验板和1块钢筋网格筋混凝土试验板。首先为了实现试验板平面内的压剪、纯剪的受力状态,本文通过二次分配的思路实现试验板左右两边四点对拉,竖向两边四点对压的受力状态,并将正交的网格筋45°斜置于混凝土之中,从而实现了试验板平面内纯剪以及压剪的力学性能试验研究。根据试验的结果发现,平面内压剪(纯剪)作用下,试验板的主要破坏模式为:压剪(纯剪)区域内的裂缝间混凝土被压碎,试验板达到极限承载力而发生破坏。随后,通过试验数据分析给出了压剪比和配筋率对碳纤维网格筋混凝土试验板剪切性能的影响以及曲线特征。压剪比绝对值越大,试验板的受剪承载力越大。当压剪比为-0.2时,试验板的受剪承载力提高了5%左右;当压剪比为-0.5时,试验板的受剪承载力提高了18%左右。配筋率越大,试验板的受剪承载力越大。配筋率从0.84%增加至1.96%时,碳纤维网格筋混凝土板的受剪承载力提高了23%左右。碳纤维网格筋混凝土试验板的剪应力-剪应变的关系曲线大致可分为两个阶段:混凝土开裂前的弹性阶段、混凝土开裂后的弹性阶段,比钢筋混凝土板剪应力-剪应变曲线少一个钢筋屈服后的塑性阶段。产生该现象的主要原因是由于碳纤维网格筋为线弹性材料,不存在屈服阶段。最后,对碳纤维网格筋混凝土试验板裂缝间斜向混凝土短柱平均压应力-平均压应变的试验曲线分析。分析发现,碳纤维网格筋混凝土试验板裂缝间斜向混凝土短柱的“软化”程度(即受压承载力的降低程度)大于钢筋混凝土试验板。根据该发现,本文以转角软化桁架模型(RA-STM)为理论基础,对试验数据采用指数函数进行拟合,修正了RA-STM模型中混凝土受压平均应力-平均应变关系式的软化系数表达式中的分母常数项,进而提出了适用于碳纤维网格筋混凝土试验板使用的混凝土受压应力-应变关系曲线和变角软化桁架模型,并给出了相应的MATLAB求解程序。对比MATLAB求解程序的计算值和试验值发现,两者的吻合情况较好,变异系数仅为0.034。说明本文提出的碳纤维网格筋混凝土板使用的变角软化桁架模型具有较好的预测性。之后利用该模型的MATLAB求解程序分析了混凝土强度等级对板件平面内剪切性能的影响。结果表明,混凝土强度等级越高,碳纤维网格筋混凝土板的受剪承载力越高,变形能力也越来越高。混凝土强度从24.6MPa增至32.5MPa,碳纤维网格筋混凝土板的受剪承载力提高了25%。
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