FRPC组合桩低周反复荷载试验研究

发布时间：2020-05-10 09:08

【摘要】：土木工程中,传统材料桩(钢管复合桩、钢筋混凝土管桩)在海水、盐卤、盐渍土等恶劣自然环境中很容易被腐蚀且维修成本较高。玄武岩纤维(continuous basalt fibre简称CBF)是一种新型的轻质高强耐腐蚀无机纤维增强复合材料,由其制成的FRPC组合桩(Fiber Reinforced Polymer Pile Filled with Concrete)是由FRP管、钢筋、混凝土形成的一种新型组合桩基础形式,它能够很好的抵御外部环境的侵蚀,改善结构的耐久性,降低桩基工程的全寿命成本。FRPC组合桩的受力性能、承载特性与传统材料桩存在较大差异,且与传统的FRP材料(碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等)在力学性能方面也存在一定的差异。本文主要采用室内试验和理论分析相结合的方法,研究FRPC组合桩的水平承载性能、抗弯性能以及抗震性能,主要内容和研究成果如下:(1)为了研究低周反复加载试验下FRPC组合桩的承载能力、变形特征以及延性、耗能等抗震性能,本文进行了1根FRPC组合桩,2根混合配筋预应力混凝土管桩(PRC管桩),2根预应力高强混凝土管桩(PHC管桩)的低周期反复荷载试验。并观察其在试验过程中的破坏特征,通过对滞回曲线、骨架曲线、强度及刚度退化、延性性能和耗能性能等试验结果进行对比研究。通过比较FRPC组合桩与PHC、PRC管桩的延性性能和耗能性能,研究发现FRPC组合桩在抗震性能方面和传统管桩相比有一定的优势。研究还发现FRPC组合桩在低周反复试验中呈现出无明显屈服点的延性破坏特征,破坏时其极限承载力远高于常用PHC、PRC管桩,但FRPC组合桩的弹性模量较小,破坏时极限位移较大。为了解决FRPC组合桩破坏时极限位移较大,拟通过对FPR管施加预应力,研究FRP管的张拉控制比,提出可进一步发挥FRP高强的性能方法,且能降低FRPC组合桩在弯矩作用下的挠曲变形,从而改善结构的使用性能。(2)为了进一步研究FRPC组合桩的抗弯性能,比较CBF管与玄武岩纤维力学性能的差异,本文进行了一根FRPC组合桩的四点纯弯试验以及CBF管的单轴压缩试验,观察其在试验过程中的试验现象,绘制荷载挠度曲线、刚度退化曲线,并通过观察CBF管微观构造以及裂缝开展情况,研究其与玄武岩纤维力学性能的差异。研究表明FRPC组合桩受弯承载呈现三阶段(整体工作阶段、正常使用阶段、极限承载阶段)的工作特点。通过分析抗弯刚度的变化规律以及刚度叠加原理,发现EC 4的计算值与试验中FRPC组合桩正常使用阶段的刚度较为吻合,结合CBF管单轴压缩试验,提出弹性模量在厂家提供的弹性模量基础上乘以0.4的修正系数,并将复合桩抗弯刚度计算公式的计算结果与试验值对比对此结论进行初步验证。(3)针对FRPC组合桩的抗剪承载力和极限弯矩,分析了极限平衡理论、统一理论的推导过程和理论意义。通过将理论计算与试验结果进行对比,表明FRPC组合桩在使用过程中基本不会发生斜截面受剪破坏,进一步验证ε_(fe)=0.42ε_(fu),弹性模量在厂家提供的弹性模量基础上乘以0.4的修正系数的可靠性,为避免FRPC组合桩发生脆性破坏,保证FRP被拉断前,受压区混凝土被压碎,FRP材料的界限配置率应大于17.8%。
【图文】：

钢桩,混凝土桩,木桩,常规桩基

图 1-1 腐蚀的钢桩图 1-2 腐蚀的混凝土桩图 1-3 腐蚀的木桩如图1-1~1-3所示，常规桩基础材料的退化包括混凝土桩受海水氯离子侵蚀、钢桩的锈蚀以及木桩受到海洋螟的攻击[1-3]。桩基础受到腐蚀时，其承载性能会

混凝土桩,桩基础

（2）为了抵抗地震、风、大型设备产生的水平荷载，桩基础具有较高的侧向刚度和整体抗倾覆能力，因此桩基的整体抗倾覆稳定性较好；（3）桩基础中桩体本身具有较高的竖向刚度，且其持力层岩土体的性质较好，因此桩基能够避免较大的沉降以及不均匀沉降引起的上部结构倾斜、开裂等一系列问题；（4）地震中浅部的软弱土体容易发生液化，导致基础沉降急剧变大或塌陷等情况，但是桩基础可以穿越软弱土层，，其持力层的岩土体性质较好，不会出现液化等情况，其仍然具有较好的承载性能，保证上部结构的稳定。因此桩基础具有良好的抗震性能。桩基础由于安全性、经济性等优异性能，在工程中得到越来越广泛的应用。但是和上部结构相比，桩基础特殊的使用环境使其的耐久性问题受到更多的关注。传统的桩基础由钢材、混凝土或木材组成，这些材料的耐腐蚀性能较差，在岩土体、水体、腐殖质的作用下使用寿命大大减小，并且维护困难。在世界范围内，桩基础在耐腐蚀方面仍存在比较突出的问题，我国在受到海水、盐卤腐蚀的沿海地区和受盐渍土腐蚀的内陆地区桩基础腐蚀与防护尤为严重。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU473.1

【参考文献】