FRP型材-混凝土组合梁受剪性能与工艺改进的试验和理论研究

摘要

FRP型材-混凝土组合梁将FRP材料用作主承力构件，可充分发挥FRP复合材料的高抗拉强度。界面纵向抗剪和FRP腹板抗剪失效是国内外大量试验中最常出现的两种破坏模式，这也成为FRP型材·混凝土组合梁设计的主要控制因素。本文针对性地提出了界面和腹板抗剪性能提高的改进工艺，并进行了32个基本材性试件、9个推出试件、20个直剪试件、4个二次复合FRP型材梁以及8个大尺寸FRP型材-混凝土组合梁的模型试验研究。试验研究揭示了FRP型材-混凝土组合梁受力和变形的一些规律，并提出了相应计算方法，为这一新型结构形式工程应用提供了一定的依据。论文主要研究内容如下:
　　(1)组合梁界面剪力连接的工艺改进与抗剪试验研究
　　鉴于FRP型材抗剪与局部抗压强度低，且不具可焊性，故不宜直接采用栓钉等形式连接件，本文对穿孔FRP连接件（Pouched FRP Connector，简称PFC）进行了改进，另外还设计了1种新型界面连接方式:正交穿孔FRP型材连接件(Orthogonal Pouched FRP Connector，简称OPFC)，以增强界面抗滑移和抗掀起能力并提高组合梁整体性。
　　进行了2个高强螺栓、3个改进的PFC、4个OPFC连接件的静力推出对比试验。试验结果表明破坏的机理有两种:螺栓孔洞对FRP纤维的截断使得破坏发生在孔洞连线上，PFC和OPFC与主梁，连接的小螺栓易剪切破坏。PFC和OPFC承载能力为高强螺栓60％时，其抗滑移刚度可达高强螺栓近10倍。
　　建立了FRP型材-混凝土组合梁剪力连接件承载力计算公式，并对9个推出试件进行计算，计算结果与试验结果吻合较好。基于试验的荷载-滑移曲线，给出了连接件和螺栓的抗滑移刚度建议取值。
　　(2)提高FRP型材梁腹板抗剪性能的改进工艺与试验研究
　　拉挤成型FRP型材腹板纤维铺设的单向性致使其纵向抗剪承载能力普遍极低，为改善这一缺点，提出了一种基于拉挤工艺的FRP型材二次成型技术，即在FRP型材腹板间附加手糊经纬向编织纤维布增强夹层，形成二次成型FRP型材梁。
　　进行了12个拉挤构件和8个二次成型试件的直剪对比试验。试验结果表明:拉挤FRP为脆性的直剪破坏，二次成型FRP中新增夹层和原拉挤部分共同工作，使得剪切应力能够重分布，二次复合FRP型材承载力达到了拉挤FRP的1.5倍，变形能力达到了2.8倍。
　　基于层合板理论，将各向异性的层合板转化为等效的正交异性材料，提出了二次成型工字形FRP型材的腹板刚度的计算方法，并对8个二次成型试件进行了计算，计算结果与试验结果吻合较好。根据复合材料的最小切应变失效准则，建立了二次成型FRP型材梁承载能力计算公式，计算结果与实测结果吻合较好。
　　结合二次成型腹板剪切破坏与变形特点，对其安全储备指标进行了探讨，对两类FRP型材的安全储备指标进行了计算，结果表明二次成型FRP的剪切安全储备指标可达到拉挤型材的3倍以上。
　　(3)基于改进工艺的FRP型材-混凝土组合梁大尺寸模型试验研究
　　为将改进工艺在组合梁中予以应用，并评价新工艺对FRP型材-混凝土组合梁界面和腹板抗剪性能的改善效果，进行了4个2m跨径、3个4m跨径、1根6m跨径的FRP型材-混凝土组合梁单调静力加载模型试验，研究主要参数为剪力连接方式和剪跨比。试验的主要结论如下:
　　同等荷载水平下，采用改进PFC连接件的组合梁界面滑移量为螺栓连接件的20％以下，界面初始粘结力为螺栓连接件的2.25倍，混凝土顶板和FRP底部应变仅为螺栓的45％左右。说明改进PFC连接件组合效应优于螺栓连接件。
　　从腹板开裂到结构受剪失效，外荷载增加可达约25％，表明二次成型FRP型材组合梁剪应力沿梁高重分布较充分，剪切破坏表现出一定延性。由于剪切模量较低，FRP底板剪力滞现象较突出，试验得到的剪力滞后系数达到可达1.4。
　　(4)基于大尺寸模型试验的FRP型材-混凝土组合梁计算方法研究
　　大尺寸FRP型材-混凝土组合梁模型试验结果表明，该新型结构形式在界面滑移效应和剪切承载力2个方面具有突出特征。本文针对这2个方面进行了理论研究并建立了相应计算方法。
　　(1) FRP和混凝土界面掀起和滑移使平截面假定不再成立，忽略界面滑移会导致计算结果偏不安全，本文提出了双折线的FRP型材-组合梁滑移理论模型，并基于此模型提出了考虑滑移的抗弯计算方法;考虑了FRP腹板的剪切变形对挠度的影响，对组合梁挠度计算方法进行了修正。
　　(2)试验表明FRP型材-混凝士组合梁剪切破时，混凝土翼缘板承担的剪力达40％，基于叠加原理，建立了FRP型材和混凝土翼缘板在抗剪承载力上的组合作用计算公式。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 FRP型材在工程结构中的应用进展

1．2 FRP型材-混凝土组合梁的研究动态

1．2．1 FRP型材-混凝土梁的组合方式研究

1．2．2 适用于桥梁工程的高抗剪性能FRP型材及其成型工艺研究

1．2．3 界面剪力连接方式研究

1．2．4 FRP型材-混凝土梁的研究现状小结

1．3 研究目标及本文内容

参考文献

第2章 组合梁界面剪力连接的工艺改进与抗剪试验研究

2．1 新型FRP型材-混凝土组合梁界面连接方式工艺改进与设计

2．2 不同连接件推出试验的对比研究

2．2．1 试验设计

2．2．2 试验现象描述

2．2．3 试验结果分析

2．2．4 试验中界面连接件的性能评价

2．3 界面连接件承载力和刚度的计算方法研究

2．3．1 界面破坏模式1的承载力计算公式

2．3．2 界面破坏模式2的承载力计算公式

2．3．3 剪力连接件刚度的计算公式

2．4 本章小结

参考文献

第3章 提高FRP型材梁腹板抗剪性能的改进工艺与试验研究

3．1 FRP型材腹板剪切破坏机理分析

3．2 二次成型FRP型材梁的工艺设计和制备

3．3 二次成型FRP型材梁直接剪切试验

3．3．1 试验概况

3．3．2 试验现象和结果

3．4 基于层合板理论的二次成型FRP型材梁刚度和强度计算方法

3．4．1 等效弹性模量的理论计算方法

3．4．2 基于最大剪应变失效准则的强度计算

3．4．3 二次成型腹板剪切破坏模式的变形性能和安全储备

3．5 本章小结

参考文献

第4章 基于改进工艺的FRP型材-混凝土组合梁大尺寸模型试验研究

4．1 试验设计

4．1．1 材性试验与纯FRP粱试验

4．1．2 FRP型材-混凝土组合梁试件材料选用和尺寸确定

4．1．3 FRP型材-混凝土组合梁试件构造和试验装置

4．2 FRP型材混凝土组合梁试验现象

4．2．1 观测仪器布置和数据采集设备

4．2．2 Beam1试验现象

4．2．3 Beam3试验现象

4．2．4 Beam4试验现象

4．2．5 Beam5试验现象

4．2．6 Beam6试验现象

4．2．7 Beam7试验现象

4．2．8 Beam8试验现象

4．2．9 Beam9试验现象

4．3 试验结果分析

4．3．1 FRP型材-混凝土组合梁混凝土板内钢筋应变分析

4．3．2 FRP型材-混凝土组合梁混凝土板内螺栓应变分析

4．3．3 FRP型材-混凝土组合梁混凝土板和FRP底板剪力滞后效应分析

4．3．4 混凝土的端部横向应变分析

4．3．5 FRP和混凝土的应变分布-平截面假定及滑移引起的内力重分布

4．3．6 FRP底板和混凝土顶板沿纵向的应变分布

4．3．7 FRP型材混凝土组合梁界面滑移和抗弯刚度分析

4．3．7 试验梁破坏形态和对应的承载力

4．4 FRP型材-混凝土梁受弯试验研究总结

4．5 本章小结

参考文献

第5章 基于大尺寸模型试验的FRP型材-混凝土组合梁计算方法研究

5．1 考虑界面滑移的挠度和抗弯承载力计算理论

5．1．1 FRP型材-混凝土梁界面滑移的双折线模型的提出

5．1．2 基于界面滑移双折线模型的FRP型材-混凝土组合梁挠度计算

5．1．3 腹板剪切变形对FRP组合梁挠度的影响

5．1．4 综合考虑滑移和剪切变形的挠度计算的叠加法

5．2 FRP型材-混凝土梁组合梁受剪性能的组合作用

5．3 本章小结

参考文献

第6章 结论与展望

6．1 主要研究内容和结论

6．2 研究展望

硕士期间取得学术成果

致谢