FRP局部增强原竹结构力学性能研究

Bamboo is a kind of green renewable traditional building material with the advantages of high tensile strength parallel to grain and fast growth, which can meet the development needs of green and ecological fabricated buildings. However, the wall of the natural bamboo is only composed of longitudinal bamboo fibers and lacks of circumferential fibers. Therefore, it is prone to cracking parallel to grain, which increases the discreteness of the mechanical property and deteriorates the durability, which seriously limits the engineering application of the natural bamboo structures. In order to solve the above problems, this project proposes using fiber reinforced polymer (FRP) to partially reinforce the natural bamboo structures in key regions such as the ends of the columns and the joints, and conducts research on three aspects. Firstly, study the compression performance of the reinforced bamboo columns and bending performance of the reinforced beams, and then analyze failure modes and the mechanism of reinforcement. Secondly, conduct shear tests and bending tests of reinforced bamboo joints to obtain the failure modes and the mechanism of load transmission. Finally, based on experimental research, theoretical analysis and numerical simulation, building up analytical models under different constraints and proposing engineering design methods. Through the research of this project, it is aimed to solve the basic theoretical problems and key technical problems of natural bamboo structures reinforced with FRP, and promote the engineering application of modern natural bamboo structures, and provide reasonable support for the development and application of green fabricated buildings.

竹材是绿色可再生的传统建筑材料，具有顺纹抗拉强度高的力学优势和生长速度快的生态优势，能够满足绿色生态装配式建筑的发展需求。但原竹竹壁主要由纵向纤维组成，没有环向纤维，因此易发生顺纹开裂，使性能离散性增大，耐久性变差，严重限制了原竹结构的工程应用。本项目针对上述问题提出采用纤维增强复合材料（fibre-reinforced polymer，简称FRP）在杆端、节点等关键区域局部增强原竹结构，并开展3方面研究：（1）研究FRP约束原竹柱受压性能、梁弯剪性能，分析其破坏模式和作用机理；（2）研究FRP增强原竹节点的剪切性能和压弯性能，获得其破坏模式和传力机制；（3）基于试验研究、理论分析和数值模拟，建立不同约束状态下的分析模型，并提出工程设计方法。通过本项目研究，力图解决FRP增强原竹结构的基本理论问题和关键技术问题，同时推动现代原竹结构的工程应用，为我国绿色装配式建筑的发展提供科技支撑。

竹材是绿色可再生的传统建筑材料，顺纹抗拉强度高，能够满足绿色生态装配式建筑的发展需求。但原竹竹壁主要由纵向纤维组成，没有环向纤维，因此易发生顺纹开裂，严重限制了原竹结构的工程应用。本项目针对上述问题提出采用纤维增强复合材料（简称FRP）在杆端、节点等关键区域局部增强原竹结构，并开展6方面研究：（1）基于复合材料理论的原竹基本力学性能研究与分析。提出了原竹截面识别方法，建立了基于复合材料理论的原竹材料性能预测模型，分析了竹节对原竹的力学性能和破坏模式等的影响，结果表明竹节对轴压性能及顺纹剪切无明显影响，对环压强度有显著增强，但会降低抗拉强度约30%；（2）FRP增强原竹柱轴压性能研究。开展了FRP约束原竹柱轴压试验，分析了不同约束位置、FRP层数等参数对轴压性能的影响，提出了轴压承载力计算公式。结果表明FRP约束原竹筒，能够抑制竹壁受压时面外鼓曲，从而有效提升原竹柱的受压承载力与变形能力，其中完全包裹约束增强效果优于局部约束；（3）FRP加固开裂原竹力学性能研究，试验研究了FRP加固开裂原竹柱的轴压性能，研究结果表明，FRP加固可使开裂结构承载力基本恢复至未开裂状态。FRP约束内填砂浆原竹柱，可同时大幅提升结构的承载能力和变形能力，承载力相对于已开裂试件提升了67%-133%；（4）FRP增强原竹构件抗拉性能研究，提出了一种新型FRP增强原竹筋材，建立了薄壳理论模型和厚壳理论模型预测承载力；（5）FRP-竹材界面性能试验研究与理论分析。试验研究了不同连接类型、螺栓直径和间距等因素对连接强度和刚度的影响，并建立了基于Foschi的GFRP-竹材界面荷载滑移关系的理论分析模型；（6）FRP增强原竹节点力学性能研究，通过开展节点试验研究其破坏模式和传力机制，完成不同类型的增强节点优化，解决原竹结构存在的节点薄弱的难题。通过本项目研究，力图解决FRP增强原竹结构的基本理论问题和关键技术问题，同时推动现代原竹结构的工程应用，为我国绿色装配式建筑的发展提供科技支撑。