GFRP-钢混合配筋混凝土构件的耐久性及抗弯性能试验与研究

摘要

钢筋混凝土结构在现代工程领域中应用的最为广泛，但是由于钢筋容易腐蚀的问题，使其在长期使用过程中耐久性问题逐渐显现出来，越来越引起人们的关注。自上个世纪五、六十年代开始，纤维增强复合材料逐渐进入人们的视野，这种材料所具有的耐腐蚀、强度高、重量轻以及耐电磁等优点逐渐被工程界所认可，并逐渐取代钢筋应用于实际的土木工程结构当中，取得了良好的实用效果，其中应用最为广泛的为GFRP筋。但是由于GFRP筋弹性模量较小，应用于混凝土结构中容易产生较大的挠度和裂缝，导致结构刚度大大降低。如果将钢筋和GFRP筋混合配置于混凝土结构中，可以将GFRP筋强度高、耐腐蚀的优点及钢筋较好的整体性有机结合起来，增强了钢筋混凝土结构的承载能力，同时保留的钢筋可解决结构因脆性而导致的构件较大的挠度和裂缝，是一种理想的配筋形式。为了研究GFRP-钢筋混合配筋混凝土结构的耐久性以及抗弯性能，本文主要研究了以下内容:
　　1.以混凝土碳化深度到达钢筋表面作为钢筋开始产生锈蚀的标志，结合钢筋表面去钝化时间最小均值计算公式，对比分析了六组不同配筋布置的GFRP-钢筋混合配筋混凝土构件的耐久性能，提出了混合配筋混凝土结构耐久性最佳的配筋形式。研究表明:将钢筋配置于远离迎风面、角区的中间位置，其他区域配置GFRP筋时，构件耐久性提升的百分比可达到119％，即耐久寿命可相应延长1.19倍，其他钢筋配置形式构件耐久性提升百分比介于两者之间。
　　2.由素混凝土、钢筋以及GFRP筋三者使用寿命预测方法特点出发，探讨了混合配筋结构中混凝土碳化、GFRP筋与钢筋面积比影响下结构使用寿命预测方法，提出了GFRP-钢筋混合配筋混凝土结构使用寿命预测优化模型，并利用提出的预测模型对GFRP-钢筋混合配筋T梁结构使用寿命的预测方法进行了实例分析。
　　3.由FRP筋混凝土梁裂缝宽度计算方法出发，探讨了板与梁结构特点差异对裂缝宽度计算的影响机理，引入对平均裂缝间距lcr、截面内力臂系数η、以及FRP筋应变不均匀系数(ψ)等参数的修正方法，同时建议取消对有效配筋率ρte下限值的规定，修正得到了混合配筋混凝土板件裂缝宽度计算公式，采用相同的方法推导了GFRP-钢筋混合配筋板件裂缝宽度的修正公式，并进行了实例分析;在半理论半经验的基础上结合试验分析结果，推导得到了混合配筋混凝土结构挠度计算公式，结合GFRP-钢筋混合配筋构件试验对结构挠度及裂缝的公式及变化规律进行了验证。
　　4.基于平截面假定、截面内力平衡条件，推导了GFRP-钢筋混合配筋混凝土构件开裂弯矩以及适筋破坏情形下正截面极限受弯承载力计算公式，并通过相关试验以及有限元模拟对混合配筋结构的抗弯性能进行了验证，其测定值与理论计算结果吻合较好。研究表明:在构件整体配筋率相同的情况下，传统的截面单一钢筋配筋方式抗弯承载力最低，混合配筋构件的抗弯承载力随GFRP筋与钢筋的面积比增大而增加，抗弯承载力最大可提升至52.7％，且当混凝土内部全部布置GFRP筋时，构件抗弯承载力达到了最大值。

目录

声明

摘要

绪论

1.1 引言

1.2 FRP筋的主要性能及特点

1.2.1 FRP筋的主要性能

1.2.2 FRP筋的主要特点

1.3 FRP筋目前的应用及前景

1.4 FRP筋混凝土结构计算理论研究现状

1.4.1 FRP筋与混凝土粘结锚固性能研究

1.4.2 FRP筋混凝土构件抗弯及抗剪承载力的研究

1.4.3 FRP筋混凝土构件延性性能的研究

1.4.4 FRP筋耐久性研究

1.4.5 有关规范的编制进展

1.5 本文研究的主要内容

2 GFRP-钢混合配筋混凝土构件耐久性研究

2.1 引言

2.2 GFRP-钢混合配筋混凝土构件的耐久性分析

2.2.1 混凝土碳化机理分析

2.2.2 混凝土碳化深度影响因素

2.2.3 钢筋锈蚀机理分析

2.2.4 GFRP筋老化机理分析

2.2.5 混凝土构件的碳化深度计算公式

2.2.6 混合配筋构件的耐久性分析

2.3 GFRP-钢混合配筋混凝土构件使用寿命预测方法

2.3.1 混凝土使用寿命预测

2.3.2 混凝土环境中钢筋的使用寿命

2.3.3 混凝土环境中GFRP筋的使用寿命

2.3.4 混合配筋混凝土结构使用寿命

2.3.5 GFRP-钢混合配筋构件使用寿命预测实例

2.3.6 实例结果分析

2.4 本章小结

3.GFRP-钢混合配筋混凝土构件的裂缝宽度及挠度计算方法研究

3.1 引言

3.2 混凝土构件裂缝机理分析

3.3 混合配筋混凝土板件裂缝宽度计算方法

3.3.1 GFRP筋混凝土板裂缝宽度的计算方法

3.3.2 钢筋混凝土板裂缝宽度计算方法

3.3.3 混合配筋混凝土板裂缝宽度计算方法

3.3.4 混合配筋混凝土板件最大裂缝宽度的限值

3.4 混合配筋混凝土板挠度的计算方法

3.5 实例分析

3.5.1 混合配筋混凝土板参数

3.5.3 裂缝截面受拉区钢筋应力σsk分析

3.5.4 结果分析

3.6 本章小结

4 GFRP-钢混合配筋混凝土构件抗弯性能理论与试验研究

4.1 引言

4.2 GFRP-钢混合配筋混凝土受弯构件抗弯性能理论研究

4.2.1 GFRP-钢混合配筋混凝土构件开裂弯矩的计算

4.2.2 GFRP-钢混合配筋混凝土构件正截面受弯承载力研究

4.2.3 GFRP筋与钢筋配筋比对受弯承载力的影响分析

4.3 GFRP-钢混合配筋混凝土构件抗弯性能试验研究

4.3.1 试验试件的设计

4.3.2 试验试件的制作

4.3.3 试验方案设计

4.3.4 加载装置设计

4.3.5 加载分级

4.3.6 试验结果分析

4.4 本章小结

5 混合配筋混凝土受弯构件有限元分析

5.1 引言

5.2 有限元分析中的材料属性

5.2.1 混凝土的本构关系模型

5.2.2 钢筋的本构关系模型

5.2.3 GFRP筋的本构关系模型

5.3 模型参数

5.4 有限元模型的建立与分析

5.4.1 单元模型的选择

5.4.2 模型的建立

5.4.3 网格的划分

5.4.4 约束条件的设定

5.5 有限元模型计算结果分析

5.5.1 受弯板件的有限元结果

5.5.2 混合配筋构件受弯承载力与配筋比的关系

5.6 本章小结

6 全文总结

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果