1  緒論

1.1  課題研究的背景和意義 
混凝土作為當前國內建筑物的主要使用材料，隨著我國經濟的發(fā)展和沿海城市建設的加速以及城市污水處理的日漸重視，混凝土工作環(huán)境的復雜多變，使其在沿海及具有腐蝕性土壤中的應用受到一定的限制，海內外廣大學者對混凝土在耐久性方面的研究越來越廣泛。纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymers，簡稱 FRP）因其具有耐腐蝕性好、高溫下工作性能變化小、纖維束抗拉強度高、重量小、彈性模量小、熱膨脹系數低等特點[1]，將 FRP 與混凝土組合起來不僅能夠解決混凝土耐久性不好的問題，還能夠增加對混凝土的約束作用，提高混凝土構件的極限承載力和延性，從而降低了維護混凝土不受侵蝕的成本，為 PVC 管混凝土在配筋情況下的應用提供更多可以參考的理論依據。 鋼管混凝土是指在成型的鋼管內澆灌混凝土的新型組合形式，具有承載力高、塑性和韌性好、澆筑過程簡單等特點，與鋼管相比耐火性和耐腐蝕性都有很大的改善，并且具有節(jié)約材料、增大建筑物使用空間等優(yōu)點，被廣泛應用于廠房立柱、各種支架、術架壓桿、高層與超高層建筑、拱橋及組合梁橋結構[2-5]。然而隨著對鋼管混凝土在實際工程中的應用和分析發(fā)現(xiàn)，在鋼管內的混凝土存在塑性收縮、自收縮、徐變收縮等重要問題，使得混凝土與鋼管壁之間出現(xiàn)空隙，降低鋼管對內部混凝土的環(huán)向約束，使得混凝土受拉，鋼管受壓，降低了混凝土和鋼管的彈性模量，而且鋼管在潮濕環(huán)境中還有易腐蝕老化的現(xiàn)象[6,7]。 自密實再生混凝土[8]是指利用建筑垃圾經粉碎清洗后產生的再生骨料代替天然石子而配置的新型自密實混凝土。已有的研究表明再生混凝土雖然在同水灰條件下強度稍低于普通混凝土，但配合比的不斷調整是可以滿足結構要求的，而且再生混凝土還具有綠色環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點。 FRP-PVC 管混凝土[9,10]是在 PVC 管外表面粘貼 FRP（纖維增強復合材料）條帶后，再向 PVC 管內澆灌混凝土的新型結構形式，這種混凝土構件不但具有 PVC 管耐腐蝕性好的優(yōu)點，而且充分發(fā)揮纖維布強度高、模量大、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變等特點。與普通混凝土相比能夠提高混凝土的極限承載能力和耐久性，與鋼管混凝土相比具有自重小、縮短施工工期、價格低廉、耐腐蝕性好等優(yōu)點。
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1.2  研究現(xiàn)狀
再生骨料混凝土（Recycled  Aggregate  Concrete,RAC）簡稱再生混凝（Recycled Concrete），它是指將建筑物拆遷后的廢棄混凝土塊經過破碎、清洗與分級后，按一定的比例與級配混合形成的再生混凝土骨料（Recycled Concrete Aggregate,RCA），簡稱再生骨料（Recycled Aggregate）；通過部分替代或者全部替代天然骨料（主要是粗骨料）后配制成新的混凝土。再生骨料混凝土技術可實現(xiàn)對廢棄混凝土的在加工，從而既能是有限的資源得以再利用，又解決了部分環(huán)保問題，是發(fā)展綠色混凝土，實現(xiàn)建筑資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。發(fā)達國家對再生骨料混凝土的基本力學性能研究起步較早[11-23]，近年來我國的一些專家和學者也開展了一系列初步的研究[24-30]，目前眾多海內外學者都把再生混凝土作為重點的試驗對象和課題方向。 胡波[31]等對使用再生粗骨料配置的混凝土的基本力學性能進行大量試驗研究。根據試驗結果得出：（1）再生骨料配置的混凝土試件受壓、受拉以及受彎折破壞過程和破壞模式與普通混凝土差別不大。由于再生骨料表面通常會包裹有舊的水泥，新舊砂漿之間界面過渡區(qū)是再生骨料混凝土的薄弱部位，其破壞往往從新老界面開始。（2）再生粗骨料對混凝土棱柱體和立方體試塊的抗壓強度影響比較明顯，但再生骨料對混凝土抗彎拉強度和混凝土立方體劈裂抗拉強度的影響相對較小。再生混凝土抗拉強度只有立方體抗壓強度的 1/15-1/12；抗折強度也只有立方體抗壓強度的 1/8 到 1/6，這和普通混凝土的性能非常相似。（3）再生混凝土的彈性模量與普通混凝土相比下降約 8%~15%，再生混凝土的泊松比大致在 0.15~0.22 之間。（4）再生混凝土應力-應變曲線與普通混凝土相似，與普通混凝土相比，再生混凝土應力隨應變增長的速率相對較緩，極限應變一般都大于普通混凝土。
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2 BFRP-PVC 管鋼筋自密實再生混凝土短柱軸壓試驗方案 

2.1  引言 
目前眾多學者對 FRP 包裹 PVC 管混凝土柱的試驗和模擬分析主要集中在 FRP-PVC管普通混凝土短柱軸心受壓力學性能試驗、中長柱偏心受壓穩(wěn)定性試驗以及在腐蝕環(huán)境中的耐久性試驗，但未見 BFRP-PVC 管鋼筋自密實再生混凝土短柱相關研究成果。本章主要介紹試驗材料的性能參數、試件設計及制作方法、試驗加載方案及應變測量點的布置位置。
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2.2  混凝土力學性能及試驗材料參數
本文采用的混凝土是建筑垃圾經粉碎、清洗、分級后得到的再生骨料全替代天然骨料而配置的自密實再生骨料混凝土。目前國內外對再生混凝土和自密實混凝土的配合比設計方法已經有了大量的研究，但對使用再生骨料替代天然骨料配置自密實再生混凝土的研究鮮有人做，根據自密實混凝土以及再生骨料混凝土各自的特點設計混凝土中各材料的配比。自密實混凝土是指不經振動和澆搗，在自重作用下自動流動并填充模板空間進而包裹鋼筋的混凝土，經過合理的配合比設計，這種混凝土能夠達到不泌水、不離析的標準，而且成型的混凝土表面平整，沒有蜂窩、麻面的現(xiàn)象，具有良好的密實性，可用于施工作業(yè)面小，造型復雜，配筋密集的結構中，還可以用于夜晚城市中心工程的建設，避免夜晚施工對周圍居民的噪聲危害，而且還能解決施工過程中過分振搗和漏振等問題，提高文明施工水平。 自密實混凝土因其流動性比較大，為了保證混凝土的高流動性和穩(wěn)定性，現(xiàn)有的天然骨料混凝土的配合比設計理論已經不適用。國內外學者通過對自密實混凝土的配合比進行了大量的理論分析和試驗，目前自密實混凝土配合比的設計方法主要有簡易配合比法、參數法、骨料比表面積法、固定砂石體積法、全計算法、改進全計算法六種。再生混凝土是以建筑物拆除后的混凝土經破碎篩選分級后作為石子配置的混凝土，已有的研究表明，再生骨料與天然骨料相比，質量輕、壓碎值大、吸水率高，因此配置的再生混凝土具有用水多、強度低、彈模小、收縮變形大、抗凍性小等特點，已有的研究表，通過摻加粉煤灰和減水劑的方法，合理設計配合比，自密實混凝土的強度和工作性是可以滿足使用要求。 
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3 BFRP-PVC 管自密實再生混凝土短柱軸壓試驗結果分析 ..... 26 
3.1  引言 ..... 26 
3.2 BFRP-PVC管混凝土短柱的破壞形態(tài) ...... 26
3.3 BFRP-PVC 管自密實再生混凝土短柱極限應變 .... 29 
3.4 BFRP-PVC 管自密實再生混凝土短柱應力-應變關系分析 ........ 32 
3.5  本章小結 .... 38 
4  條帶間距和配筋率對短柱軸壓性能的影響 ....... 39 
4.1  引言 ..... 39 
4.2  無筋 BFRP-PVC 管自密實再生混凝土短柱 .......... 39 
4.3 1.1%配筋率 BFRP-PVC 管自密實再生混凝土短柱 ...... 40
4.5 BFRP 條帶間距對三組試件核心混凝土強度提高幅度對比 ...... 43 
4.6  配筋率對試件核極限承載力提高率的影響 .... 44 
4.7  本章小結 .... 44 
5 BFRP-PVC 管自密實再生混凝土短柱承載力模型 .......... 45 
5.1  引言 ..... 45 
5.2  鋼管混凝土承載力模型 ........ 45
5.3 FRP 約束混凝土承載力模型 ........ 47 
5.4 FRP-PVC 管約束混凝土的強度模型 ......... 49
5.5  計算值與試驗值對比 ..... 55 
5.6  本章小結 .... 56 

5 BFRP-PVC 管自密實再生混凝土短柱承載力模型 

5.1  引言 

本章在試驗的基礎上，結合已有的鋼-混凝土結構模型，對 BFRP-PVC 自密實再生混凝土軸心受壓短柱進行平截面假定，利用極限平衡條件，考慮自密實再生混凝土與普通混凝土的差異，研究了條帶間距和配筋率對試件承載力的影響，提出 BFRP-PVC 自密實再生混凝土短柱軸心受壓作用下的承載力計算公式。關于鋼管混凝土的承載力計算方法主要集中在兩個方面。一種是把鋼管和混凝土組合看成一種材料，利用鋼管混凝土材料的組合軸壓強度與鋼管混凝土截面面積的乘積來表示鋼管混凝土的軸心受壓承載力，這種理論被稱為統(tǒng)一理論；另外一種是疊加原理，分別考慮鋼管和混凝土各自的承載力，建立平衡方程，求得鋼管混凝土的軸心受壓承載力。 

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結論 

本文主要對 BFRP-PVC 管鋼筋自密實再生混凝土短柱軸心受壓進行試驗研究和承載力計算公式的推導，得到的主要結論如下： 
（1）無 BFRP 包裹試件裂縫開展迅速，試件破壞時沒有明顯的征兆，在 PVC 管開裂的同時試件即瞬間破壞，屬于脆性破壞。FRP 包裹試件破壞過程緩慢，破壞時先聽到噼啪噼啪 BFRP 纖維條帶和環(huán)氧樹脂膠被拉伸的聲音，最終 BFRP 條帶被拉斷，PVC 管局部完全開裂，核心混凝土被壓碎，破壞過程具有明顯可預判性，屬于延性破壞。BFRP條帶斷裂標志著試件達到其極限狀態(tài)。 
（2）BFRP-PVC 管能夠對核心自密實再生混凝土產生一定的約束作用，能夠改善混凝土的極限承載力和極限應變。BFRP 條帶間距和配筋率是影響 BFRP-PVC 管混凝土短柱承載力的重要因素，當 BFRP 環(huán)箍間距逐漸增加時，構件的極限承載力和極限應變逐漸降低。隨著配筋率的增加，構件的極限承載力也逐漸變大，配筋率對構件極限承載力的影響基本上呈直線上升。 
（3）BFRP-PVC 管自密實再生混凝土柱與 PVC 管自密實再生混凝土柱相比極限承載力提高了 13.4%~29.2%，BFRP-PVC 管鋼筋自密實再生混凝土柱與 PVC 管自密實再生混凝土無筋柱相比極限承載力提高了 25.5%~50.9%。BFRP 包裹柱的極限應變也一定程度的提高，本次試驗中提高幅度在 13.6%~133.7%。 
（4）根據 BFRP-PVC 管自密實再生混凝土短柱軸心受壓時的應力-應變關系曲線可知，BFRP 包裹試件破壞過程可以分為三個階段，第一階段為彈性階段，這一階段 BFRP所起到的約束作用較�。坏诙A段為過渡階段，這一階段 BFRP 對 PVC 管內混凝土的約束效果逐漸增強；第三階段為破壞階段，這一階段應力增加緩慢而應變急速增大。 
（5）根據已有的 FRP-PVC 管混凝土極限承載力計算公式，本文通過對已有的配筋條件下鋼管混凝土承載力計算公式的分析，綜合考慮縱向鋼筋和箍筋約束對極限承載力的影響，給出了 BFRP-PVC 管自密實再生混凝土配筋短柱極限承載力計算公式，將本文試驗值與計算值進行對比可知，試驗值和計算值吻合較好，本文提出的公式對工程實際具有重要的參考價值。 
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參考文獻(略)

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本文編號：65368