表层嵌埋预应力CFRP筋组合石梁/板受弯性能研究

摘要

石材是一种古老传统的建筑材料,具有耐久性能优越、受压强度高、吸水率低及质朴美观等优点。目前国内外仍分布着大量的石结构房屋和历史建筑。相比于石结构受压构件,石梁、石板等石结构受弯构件存在脆性断裂的潜在危险,严重制约了这类结构和构件更广泛的应用。因此,提高现有石结构建筑安全性,防止石结构受弯构件的脆性断裂破坏,改善其承载力和变形性能,成为继承和发扬石结构建筑文化的研究重点。
　　本文将表层嵌埋预应力CFRP筋技术与石结构受弯构件结合,通过CFRP筋的高强受拉性能弥补石材脆性断裂的不足,并采用水泥基植筋胶作为粘结材料,提出表层嵌埋预应力 CFRP筋组合石梁和表层嵌埋预应力 CFRP筋组合石板这一新型石结构受弯构件,主要开展了以下研究:
　　(1)研发了一种夹持作用可控的CFRP筋夹板式锚具。进行了40个CFRP筋-夹板式锚具组装件的拉拔试验,研究锚固长度、螺栓预紧力、螺栓数量和CFRP筋表面性状对夹板式锚具锚固性能的影响。试验结果显示,锚具的最大锚固效率系数超过95％,且最大荷载对应的CFRP筋滑移量较小。增加锚固长度、螺栓预紧力、螺栓数量可在一定范围内提高锚具的锚固效果。在试验研究基础上,分析了夹板式锚具的锚固机理,建立锚固能力计算模型,并给出该型锚具合理的构造和螺栓预紧力值。
　　(2)为研究石材表层嵌埋CFRP筋的界面粘结性能,进行了15个嵌埋试件的拉拔试验,嵌缝粘结材料为水泥基植筋胶,主要试验参数为CFRP筋直径和嵌埋长度。试验中所有试件均出现CFRP筋拔出破坏,并伴有槽道两侧石材劈裂。试验结果表明,试件的最大荷载与CFRP筋直径和嵌埋长度正相关,平均粘结强度则相反。采用水泥基植筋胶试件的最大荷载与平均粘结强度均小于同等条件下采用环氧基结构胶作为粘结材料的试件。基于试验结果分析了嵌埋试件的粘结机理,并建立平均粘结应力-滑移本构模型。
　　(3)进行了14根表层嵌埋预应力CFRP筋组合石梁和6根表层嵌埋预应力CFRP筋组合石板的单调弯曲加载试验,探索这种新型石结构构件的受弯性能,主要试验参数为CFRP筋用量和预应力水平。试验结果表明,素石梁/板在挠度较小时即发生脆性断裂破坏;通过在受拉区表层嵌埋预应力CFRP筋有效改变了石梁/板的破坏形态,均转变为具有明显挠曲变形的弯曲破坏形态;同时极限承载力得到显著提升。组合石梁/板的荷载-挠度曲线与钢筋混凝土适筋梁相似,呈现明显的三阶段特征。对嵌埋的CFRP筋施加预应力可以显著提高组合石梁/板的开裂荷载和材料利用率,抑制裂缝的产生和发展,同时有效延缓配筋率较高的组合石梁发生弯剪破坏。
　　(4)采用环向包裹CFRP条带对组合石梁进行受剪加固,并进行了4根加固梁的加载试验。试验结果表明,在弯剪段环向包裹CFRP条带可以有效防止组合石梁弯剪裂缝产生后突然发生剪切断裂,显著提高试件的受剪承载力和变形能力。基于试验结果分析了加固梁的受剪机理,提出了加固梁的受剪承载力计算模型。
　　(5)进行了表层嵌埋预应力CFRP筋组合石梁/板的正截面受弯全过程受力分析,提出构件开裂弯矩、最大弯矩、CFRP筋及石材应力、平衡配筋率和最小配筋率的计算模型。基于试验结果,建立了组合石梁/板平均裂缝间距和裂缝宽度、弯曲刚度和荷载-挠度关系的计算公式。
　　(6)采用通用有限元软件ABAQUS,对表层嵌埋预应力CFRP筋组合石梁/板的受弯性能进行非线性全过程分析。在验证有限元模型可靠性的基础上,进一步开展了参数分析,研究更多不同参数条件下组合石梁/板受弯性能的差异。

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目录

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 石结构研究现状

1.3 研究意义

1.4 拟开展的研究工作

参考文献

第二章 CFRP筋夹板式锚具锚固性能试验研究

2.1 引言

2.2 试验概况

2.3 试验结果分析

2.4 最大荷载计算模型

2.5 本章小结

参考文献

第三章 石材表层嵌埋CFRP筋界面粘结性能试验研究

3.1 引言

3.2 试验概况

3.3 试验结果与分析

3.4 粘结性能分析

3.5 嵌埋段受力分析

3.6 粘结-滑移本构模型

3.7 本章小结

参考文献

第四章 表层嵌埋预应力CFRP筋组合石梁受弯性能试验研究

4.1 引言

4.2 试验概况

4.3 试验结果与分析

4.4 本章小结

参考文献

第五章 环向包裹CFRP条带加固组合石梁受剪性能试验

5.1 引言

5.2 试验内容

5.3 试验结果与分析

5.4 本章小结

参考文献

第六章 表层嵌埋预应力CFRP筋组合石板受弯性能试验研究

6.1 引言

6.2 试验方案

6.3 试验结果与分析

6.4 本章小结

参考文献

第七章 表层嵌埋预应力CFRP筋组合石梁/板受弯性能理论分析

7.1 引言

7.2 张拉控制应力

7.3 石材等效矩形应力图系数

7.4 组合石梁/板正截面受弯全过程分析

7.5 组合石梁/板裂缝宽度计算模型

7.6 组合石梁/板荷载-挠度关系计算模型

7.7 组合石梁/板延性指标

7.8 本章小结

参考文献

第八章 表层嵌埋预应力CFRP筋组合石梁/板受弯性能有限元模拟

8.1 引言

8.2 有限元模型建立

8.4 有限元模拟结果与分析

8.5 影响参数数值分析

8.6 本章小结

参考文献

第九章 结论与建议

9.1 论文创新点

9.2 主要结论

9.3 建议与展望

作者在学期间参与的科研项目

作者在学期间发表的学术论文

致谢