A Ductile Hybrid Fiber Reinforced Polymer Tendon for Civil Engineering Applications

摘要

纤维增强树脂(FRP)复合材料因其轻质高强、耐腐蚀、适应较宽的温度环境，施工方便等优点成为具有明显优势的结构材料。FRP已被广泛用于加固既有建筑和增强新建混凝土结构。然而，有时采用FRP材料无法全面满足结构性能的要求。例如，采用高强度高弹性模量FRP材料，如碳纤维复合材料，因碳纤维复合材料极限应变较小结构延性可能难以满足要求;同时，碳纤维复合材料相比其他FRP材料价格较贵。相反，价格相对便宜的FRP材料如玻璃纤维复合材料，具有较大极限应变可以使结构具有较大延性，但是由于弹性模量和蠕变性能相对较低，导致其在结构中的应用因为结构变形要求受到限制。
　　桥面板直接承受融冰盐和极端天气环境作用，是桥梁中最易腐蚀的构件之一。采用FRP材料增强桥面板可以有效解决腐蚀问题。近年来，玻璃纤维筋(GFRP)由于价格相对于其他种类FRP（碳纤维和芳纶纤维）较为便宜，被广泛用做混凝土桥面板内的增强材料。然而，由于GFRP复合材料刚度较低，与钢筋混凝土构件相比，GFRP增强混凝土构件变形和裂缝宽度较大，导致GFRP-混凝土构件受正常使用阶段需要维修控制。为了满足使用要求，FRP增强混凝土桥面板设计一般需满足与传统钢筋增强混凝土桥面板相同的刚度。然而，在现有文献桥面板实验中，在刚度控制设计条件下，FRP增强板的承载力是设计所需承载力的3倍以上。这些结果反映了在FRP-混凝土桥面板设计中高强材料无法充分利用。
　　为了克服上述缺陷，提高各种FRP复合材料利用率，本文从两个层次进行了整合FRP材料优点的研究设计:混杂FRP筋的性能和其性能迭代分析预测模型的研究;为了避免材料浪费，进行了采用预应力混杂FRP筋对FRP-RC桥面板影响的研究。
　　首先，本文提出了通过不同类型的纤维混杂克服单一纤维的缺点，整合不同纤维优势并实现最佳的性价比的方法。此外，通过混杂，FRP复合材料的力学性能可针对特定的工程应用进行设计。对混杂FRP筋的性能进行了实验和分析研究，然后对部分混杂FRP预应力筋FRP-RC楼板的性能进行了实验研究。最后，对预应力FRP-RC桥面板进行了数值模拟研究;数值分析研究探讨了部分预应力FRP筋的混凝土桥面板在车轮集中荷载作用下宏观和微观性能。最后，进行了全面的参数研究。
　　本文共分为六章。在第1章为本文研究内容介绍和文献综述。文献综述包括混杂FRP复合材料，FRP-RC桥面板和FPR网格研究。第2章介绍了一种考虑树脂和混杂FRP纤维之间的界面应力传递预测混杂FRP筋的拉伸性能的新方法。然后，作者利用断裂力学的基本概念，推导出一个能够预测混杂FRP的力学性能的模型。在第3章，作者对玄武岩/碳混杂FRP筋和玻璃/碳纤维FRP筋的拉伸性能进行了实验研究。确定了树脂类型、纤维含量以及在横截面纤维排列方式对筋材性能的影响。第4章研究了玄武岩/碳纤维复合筋横向增强和预应力增强的足尺桥面板的性能。本研究旨在减少FRP-混凝土桥面板的FRP用量。研究共对七块边长为2400mm和厚度为200 mm的正方形板进行了实验和测试。根据加拿大公路桥梁设计规范CSA-S6-06，设计了两块为非预应力面板，一块钢筋混凝土面板和一块FRP-钢筋混凝土面板作为控制试件。研究了三个主要变量:FRP的折减系数，预应力水平和部分预应力指标。第5章主要是对部分预应力FRP-RC桥面板性能的数值研究。本章的目的是探讨预应力FRP筋增强混凝土桥面板在车轮的集中荷载作用下的宏观和微观性能。数值模拟是基于之前七块FRP增强混凝土足尺桥梁面板测试。有限元(FE)计算的钢筋混凝土板受冲切荷载分析结果与实验结果进行了比较。基于所建模型，进行了普通和预应力FRP增强混凝土桥面板的参数研究。基于上述研究主要获得以下结论:a）提出的模型能准确地预测混杂FRP复合材料在纤维断裂时荷载下降，破坏载荷和破坏应变;b）基于一系列混杂FRP筋的试验，本研究提出了一种新的延性较好的玄武岩/碳纤维复合筋，具有3.61％的破坏应变，比其伪屈服应变高105％，同时破坏荷载是其伪屈服荷载的1.35倍;c）通过FRP预应力板的合理设计，FRP折减系数为0.45的试件的开裂荷载比FRP-RC控制板高73％，破坏荷载是设计荷载的2.6倍;d）有限元分析得到的荷载-挠度曲、钢筋应变和极限承载力与实验结果吻合良好。第6章详细总结了论文主要结论，及研究的重要性和展望。

目录

声明

摘要

Abstract

TABLE OF CONTENTS

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

CHAPTER 1 LiteratUre Keview

1．1 Introduction

1．2 Fiber Reinforced Polymer(FRP)

1．3 Matrix Resins

1．4 Advantages and Disadvantages of Using FRP Reinforcement

1．5 Short Term Mechanical Behavior Enhancement of FRP Composites

1．5．1 Hybrid FRP Sheets

1．5．2 Hybrid FRP bars

1．5．3 Steel-FRP-Hybrid bars

1．6 Long-Term Behavior of Hybrid FRP Composites

1．7 Adhesive Composite Joints

1．8 FRP-RC Bridge Deek Slab

1．8．1 Behavior of RC Deek Slabs Reinforced with FRP Composites

1．8．2 Transverse Prestressing Effect on the Performance of Bridge Deck Slabs

1．8．3 Field Applications of FRP-RC Bridge Deck Slabs

1．9 Design of Internally Restrained Cast-in-Place Deck Slabs

1．9．1 Design by Empirical Method

1．9．2 Flexural Design Method of the FRP-RC Bridge Deck Slab

1．10 References

CHAPTER 2 Theoretical Study on the Mechanical Property of Hybrid FRP Composites

Summary

2．1 IntroductiOn

2．2 Proposed Model for Predicting Tensile Performance of Hybrid FRP Composites

2．2．1 Failure Mechanism

2．2．2 Simulation Of Interfacial Stress Transfer in Hybrid FRP Composites

2．2．3 Fundamental Interface Models

2．2．4 Theoretical Analysis

2．3 Evaluation of the Proposed Model

2．4 Conclusions

2．5 REferences

CHAPTER 3 Experiments and Modeling of Performance of FRP Tendons withFiber Hybridization

Summary

3．1 Introduction

3．2 Experimental Studies

3．2．1 Material and Specimen Specifications

3．2．2 Sample Preparation and Test Set-Up

3．3 Experimental Results

3．3．1 Non-Hybrid Tendons

3．3．2 Hybrid Tendons

3．4 Design Aids of Hybrid FRP Tendons

3．4．1 Empirical Control Indices Based on the Rule of Mixture Law

3．4．2 Analytical Model Based on Fracture Mechanics Concepts

3．5 Conclusions

3．6 References

CHAPTER 4 Mechanical Behavior of Bridge Deck Slabs Partially Prestressedwith Hybrid FRP Tendons

Summary

4．1 Introduction

4．2 Experimental Work

4．2．1 Material Properties

4．2．2 Test Specimens

4．2．3 Anchoring and Prestressing System

4．2．4 Instrumentation

4．2．5 Test Setup and Procedure

4．3 Tests Results and Discussion

4．3．1 Cracking Behavior and Mode of Failure

4．3．2 Cracking and Ultimate Loads

4．3．3 Crack Width

4．3．4 Defleetion Behavior

4．3．5 Reinforcement and Concrete Strains

4．4 Comparison of Experimental and Predicted Punching strength

4．5 Conclusions

4．6 References

CHAPTER 5 Numerical Study on Behavior of Partially Prestressed FRP-RC Bridge Deck Slabs

Summary

5．1 Introduction

5．2 Finite Eiement Modelling

5．2．1 Element Selection

5．2．2 Material Properties

5．2．3 Modeling of Slab Geometry

5．3 Evaluation of the FE Model

5．4 Parametric Study

5．4．1 Influence of Partial Prestressing Index

5．4．2 Influence of Prestress Level

5．4．3 Influence of Prestressed-Tendons Eccentricity

5．4．4 Influence of Spacing between the Prestressed Tendons

5．4．5 Influence of Top Reinforcement

5．5 Conclusions

5．6 References

CHAPTER 6 Conclusions and Future Research

6．1 IntroduCtion

6．2 Theoretical and Experimental Study of Hybrid FRP Tendons

6．3 Reinforeed Concrete Bridge Deck Slabs Reinforced and Prestressed withHybrid FRP Tendons

6．4 Future Research

Author Papers Published During the PhD