基于三维介观有限元方法的CFRP约束RAC短柱轴向压缩力学行为的尺寸效应分析

《Buildings》：Size Effect Analysis of Axial Compressive Mechanical Behavior of CFRP-Confined RAC Short Columns Based on a Three-Dimensional Mesoscopic Finite Element Method

　　

摘要

关于碳纤维增强聚合物（CFRP）约束再生骨料混凝土（RAC）短柱的轴向抗压性能和尺寸效应的现有研究主要依赖于宏观实验分析，缺乏能够反映材料异质特性和介观损伤演化机制的研究方法。因此，本研究采用了三维介观有限元方法，建立了包括天然骨料、旧砂浆、旧界面过渡区（ITZs）、新砂浆和新界面过渡区在内的五相RAC介观模型。与主要基于宏观实验或经验模型的现有研究不同，本文重点揭示了再生骨料替代比例、CFRP约束层数量和试件尺寸的耦合效应。共设计了48个试件，涵盖了四种试件尺寸、四种再生粗骨料替代比例和三种CFRP约束层。系统分析了这些参数对破坏模式、应力-应变关系和尺寸效应的影响。结果表明，随着再生粗骨料替代比例的增加，峰值应力显著降低；CFRP层数量的增加显著提高了承载能力和峰值后的承载能力保持率；随着试件尺寸的增大，极限应力通常会下降，这突显了CFRP约束RAC短柱的显著尺寸效应。基于峰值参数和归一化分析，建立了一个简化的应力-应变模型：上升支的拟合优度R²为0.98565，下降支参数的拟合优度分别为= 0.9655和= 0.9350。与现有模型相比，所提出的模型预测误差仅为1.5–6.9%，显示出更优越的预测精度。它能够准确描述CFRP约束RAC短柱的完整压缩过程，并为工程设计提供介观力学基础。