新型组合材料箱形梁抗弯性能及界面接触问题的试验研究与数值分析

摘要

由两种或两种以上材料组合在一起共同承受荷载的桥梁统称为组合材料桥梁。随着新型复合材料碳纤维（CFRP）用于桥梁加固和超大跨度桥梁普遍采用改性沥青混合料的桥面铺装产生了新型组合材料桥梁。碳纤维加固技术效果明显，优点突出，为国内外工程界的同行们所重视。但其加固机理、力学模型比较复杂，因而需对这种加固技术做进一步的试验研究与理论分析。改性沥青混合料性能优良，是钢箱梁正交异性桥面板理想的铺装材料。但正交异性钢桥面板的变形复杂，局部变形大，铺装层常常难以达到预期的使用性能要求。本文对普通CFRP加固和预应力CFRP布加固钢筋混凝土箱形梁抗弯性能、粘接层界面应力和钢桥面铺装的界面问题进行了研究，主要的研究工作和创新成果有：
　　(1)针对一种“先锚固,后张拉”的新型CFRP布锚固装置和预应力工艺存在着张拉效率低、碳纤维布容易断丝、张拉扣件庞大的缺点，对CFRP布锚固装置和预应力工艺进行了改进,增大了张拉扣件的行程，减小了碳纤维布的弯折角，并考虑箱形梁的剪力滞后效应，提出了符合箱形梁空间受力特点的预应力碳纤维布分条加固的方法。同时结合试验证实了这一新型的CFRP布锚固和预应力张拉装置性能可靠，操作简便，具有较大的实用价值。在试验中，运用自制锚具，贴近于工程实际，以已开裂的箱形梁作为研究对象，分别按照加固施工时的实际条件和实验室条件进行了预应力碳纤维布加固开裂箱形梁的试验。从试验中获得了加固梁荷载位移曲线，粘接层界面粘结切向应力、箱形梁截面应变和裂缝的分布规律。试验显示,由于箱形梁存在剪力滞后效应，箱形梁底板的裂缝分布形态出现向梁端的凸曲线形式，其界面粘接切向应力沿截面横向分布不均匀，最大应力比达1.28。这个结果显著区别于加固矩形梁梁底裂缝呈线性，界面粘结切向应力沿横向均匀分布的特点。试验结果为理论研究提供了可靠的试验依据。
　　(2)目前对界面粘结应力的数值分析通常是以矩形梁为研究对象，假定界面粘结应力沿横向均匀分布而建立的平面有限元模型，并且采用接触界面单元，无法考虑界面粘接滑移的非线性特点。本文以箱形梁为研究对象，采用COMBIN39界面单元，引入碳纤维布与混凝土之间的粘接滑移本构关系，建立了一种新型的ANSYS空间有限元模型，较好地模拟了粘接层接触界面复杂的受力特点,得出了界面粘结切向应力的分布规律。数值分析显示，由于箱形梁存在剪力滞后效应，使得加固梁界面粘结切向应力沿横向存在显著的不均匀分布现象，并且随着荷载的增加，界面粘结切向应力不均匀现象更加明显，最大应力比达到1.14，印证了试验现象。
　　(3)针对大跨度桥梁钢桥面沥青混凝土铺装容易出现拥包和搓板破坏，甚至出现桥面铺装与钢箱梁剥离的病害，工程中出现了一种在沥青混合料与钢桥面板之间增加钢纤维混凝土的过渡层，并在钢桥面板上焊接剪力钉的新型的钢桥面铺装类型，以期提高桥面铺装和钢桥面板之间的结合强度。本文运用ANSYS对这种新型的钢桥面铺装的界面粘结应力进行了研究。从研究结果得到了界面粘结应力在铺装层内的分布规律，以及界面粘结应力在横桥向和纵桥向的最不利轮载位置，据此进一步分析了在钢桥面板顶面焊接剪力钉对铺装层界面粘结应力的影响。分析表明：钢桥面铺装界面粘结应力表现出明显的顶板加劲肋效应，即在加劲肋处出现峰值；剪力钉布置在钢箱梁顶板加劲肋处会产生较大的界面粘结应力。因而，在设计中剪力钉的布置应该避开加劲肋。

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1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 新型组合材料梁的研究状况

1.3 存在的问题

1.4 本课题研究的技术路线

1.5 本文的主要工作

2 碳纤维加固梁界面应力基本理论

2.1 基本假设

2.2 界面粘结切向应力的分布

2.3 界面粘结法向应力的分布

2.4 边界条件

2.5 试验梁界面粘结应力的理论解

2.6 小结

3 预应力碳纤维布加固钢筋混凝土箱形梁的抗弯性能及界面应力的试验研究

3.1 试验方案

3.2 试验结果及分析

3.3 小结

4 预应力CFRP布加固钢筋混凝土箱梁非线性有限元分析

4.1概述

4.2有限元程序的基础理论

4.3 ANSYS有限元模型单元的选取

4.4 材料本构关系及界面粘接-滑移本构模型

4.5 有限元模型的建立

4.6 非线性分析方法及求解策略

4.7 计算结果

4.8 小结

5 钢箱梁桥面铺装界面应力研究

5.1 钢桥面板应力状态对铺装层的影响

5.2 桥面系有限元分析

5.3 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果

附录