预应力CFRP板加固混凝土结构的力学性能及温差与冻融影响研究

摘要

预应力CFRP加固钢筋混凝土结构技术能够较充分地利用CFRP的高强性能，改善被加固结构在工作阶段的使用性能，因此近年来得到了广泛的关注，众多学者开展了大量研究工作。但这些工作大多集中于预应力CFRP加固混凝土结构的受力性能，并且所用试件的尺寸往往较小，与真实结构存在一定差距。作为一种新型技术加固的结构，预应力CFRP加固的混凝土结构其在温度、冻融等环境因素作用下工作性能随时间变化的规律仍有待进一步认识。因此，本文针对预应力CFRP板加固混凝土结构的力学性能及温差与冻融影响开展了系统性的研究工作，包括:
　　(1)通过模型试验研究，系统考察了预应力CFRP加固大尺寸混凝土构件的力学性能:对比了非预应力FRP、预应力FRP加固梁的力学性能差异;分析了设计参数对加固桥梁受力性能的影响;探讨了初始应力、粘结性能等引起的加固桥梁破坏形态的演变规律及内在机理;提出了加固结构承载能力、刚度等的设计计算公式。
　　(2)通过加固实桥的现场长期监测研究，系统考察了温度作用下预应力CFRP板加固混凝土桥梁的力学性能:通过对已加固桥梁预应力CFRP板应变及梁顶、梁底温度变化的昼夜观测，在平截面等假设基础上，将温度变化下的混凝土应变按产生的原因分为温度自由应变、自约束应变和外约束应变，利用叠加原理推导得到了预应力CFRP板温度应变的计算公式。
　　(3)系统研究了冻融循环作用下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的受力性能变化规律，探索了冻融循环和预应力水平对加固梁破坏形态、承载能力等的影响，并深入分析了冻融循环次数、混凝土强度、初始应力大小等影响因素对冻融环境下碳纤维片材-混凝土界面粘结性能的影响规律，明确了预应力碳纤维加固混凝土结构在冻融侵蚀环境下退化机理，提出了预应力CFRP加固钢筋混凝土梁的承载能力随冻融循环作用的计算模型。
　　(4)通过试验研究考察了CFRP-混凝土的界面粘结极限承载力、界面应力分布等界面粘结性能，分析了粘结长度等因素对界面粘结性能的影响;在试验研究基础上，建立了CFRP-混凝土界面粘结的有限元分析模型，通过有限元分析提出了界面粘结-滑移本构关系的拟合方法，比较了本文试验结果与目前主要几种粘结滑移本构关系的吻合程度，得到了符合本文试验的CFRP-混凝土界面粘结滑移本构模型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景

1．2 FRP-混凝土界面静力力学性能研究现状

1．2．1 FRP与混凝土剥离问题的研究

1．2．2 CFRP与混凝土界面理论研究

1．3 FRP-混凝土界面粘结疲劳性能研究现状

1．3．1 界面粘结疲劳性的测试方法

1．3．2 粘结界面破坏模式

1．3．3 界面粘结疲劳退化规律

1．3．4 粘结构造对界面粘结疲劳性能的影响

1．3．5 疲劳幅值对加固结构疲劳性能的影响

1．4 预应力FRP加固混凝土结构研究现状

1．4．1 加固结构受力性能研究

1．4．2 工艺及设备研究

1．5 FRP-混凝土的长期性能研究现状

1．5．1 FRP-混凝土的温度效应与时效性能研究现状

1．5．2 FRP-混凝土的冻融耐久性研究现状

1．6 本文的主要研究内容

第2章 预应力碳纤维板加固大尺寸钢筋混凝土T梁的试验研究

2．1 引言

2．2 实验概述

2．2．1 试件尺寸与配筋

2．2．2 试验梁的制作

2．2．3 CFRP板预应力的施加

2．2．4 实验所用材料特性

2．3 试验方案

2．3．1 试验梁加固

2．3．2 实验量测及测点布置

2．3．3 试验加载方案

2．4 试验结果与分析

2．4．1 试验破坏特征分析

2．4．2 承载能力分析

2．4．3 试验梁应变分析

2．4．4 试验梁挠度分析

2．4．5 试验的裂缝分析

2．5 实验理论分析

2．5．1 基本假定

2．5．2 CFRP预应力损失计算

2．5．3 加固结构正截面承载能力计算

2．5．4 试验结果与理论分析比较

2．6 本章小结

第3章 考虑温度变化和时效的预应力碳纤维板加固构件长期性能研究

3．1 引言

3．2 加固桥梁的实际工程应用

3．2．1 概述

3．2．2 金刚桥加固方案

3．2．3 施工步骤

3．3 车载实验评定加固效果

3．3．1 概述

3．3．2 实验方案

3．3．3 实验结果及分析

3．4 预应力CFI冲板加固梁的温度效应

3．4．1 预应力CFRP板加固T形桥梁的温度效应

3．4．2 金刚桥实测结果与理论分析的比较

3．5 预应力CFRP加固梁的时效分析

3．5．1 加固梁的截面分析

3．5．2 加固梁的长期监测

3．6 本章小结

第4章 冻融循环作用下预应力碳纤维板加固构件的性能退化规律研究

4．1 引言

4．2 试验概况

4．2．1 试件设计

4．2．2 加固试验冻融

4．2．3 试验加载及量测

4．3 试验现象

4．3．1 C30-NP系列试件实验现象

4．3．2 C30-0．5P系列试件实验现象

4．3．3 C30-P系列试件实验现象

4．3．4 C60-P系列试件实验现象

4．4 实验结果与分析

4．4．1 试件破坏特征分析

4．4．2 试件承载能力分析

4．4．3 试件应变分析

4．4．4 试件裂缝分布

4．5 实验理论分析

4．6 本章小结

第5章 碳纤维板-混凝土界面粘结性能试验研究与有限元分析

5．1 引言

5．2 碳纤维板-混凝土界面双剪试验

5．2．1 试件设计

5．2．2 测点布置及试验加载过程

5．2．3 试验结果及分析

5．3 有限元模型分析

5．3．1 CFRP-混凝土界面单元选取

5．3．2 静力下界面局部粘结-滑移关系

5．3．3 试件有限元模型

5．4 分析结果和试验值对比

5．5 粘结滑移数学本构模型

5．5．1 Popovics模型

5．5．2 双曲线模型

5．5．3 T．ueda模型

5．5．4 Dai and Ueda模型

5．6 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢