碳-玄武岩纤维混杂布张拉性能及预应力抗弯加固梁试验研究

摘要

近年来，连续纤维增强聚合物复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）越来越多地被应用于混凝土结构的加固与修复中，但同时工程师与研究人员也发现了实际工程中应用FRP加固存在FRP材料应力滞后、强度利用率低等问题。国内外已有相关研究表明通过对外贴纤维施加预应力可以有效解决上述问题，但此类研究都限于完全浸渍固化后的纤维材料，无含浸混杂纤维布方面尚少有类似的试验研究。而且大尺寸纤维材料含浸固化后又存在运输不方便、与修复结构界面粘结不理想以及无含浸纤维布张拉控制应力不高等几个缺点。
　　 基于混杂纤维复合材料约束与裂纹抑制传播理论思想，本文从预应力材料以及混杂效应的角度出发，采用部分含浸碳-玄武岩纤维布层间混杂方式，将玄武岩纤维作为不平稳应力过渡层以提高无含浸碳纤维布的张拉性能，同时提高纤维布材对结构外形的粘贴适应性及材料强度利用率。通过尝试性试验，探索出碳纤维与玄武岩纤维混杂较为合理复合方式，完善了部分含浸碳-玄武岩纤维复合关键工艺。
　　 在成功制备混杂布的基础上，对手工制备的碳-玄武岩纤维混杂布（Carbon-Basalt Fiber Hybrid Sheets，简称 CBFFIS）进行单向拉伸试验研究并对其在单向拉伸作用下的强度、刚度、应力-应变关系等性能进行深入研究。对可能影响碳-玄武岩纤维混杂布张拉力学性能的参数进行了相关研究，验证了通过间隔浸渍和层间混杂可以较大程度的提高混杂纤维布的张拉力学性能这一重要结论，并对CBFHS表观弹性模量以及抗拉强度进行理论分析。
　　 另外，目前纤维加固工艺中所采用的手糊工艺存在的诸多缺陷，在工业复合材料界真空辅助成型工艺的基础上进行了一系列尝试，研发一套适合土木工程加固修复的真空辅助成型快速加固工艺，对真空辅助成型快速加固工艺进行相关试探性试验，利用2m长小混凝土梁进行加固效果对比分析。
　　 进行周期荷载下外贴预应力碳-玄武岩纤维混杂布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能的试验研究，对其荷载-位移关系、破坏模式、承载力、刚度、延性、裂缝形态与分布等性能进行了较为深入的讨论和分析。同时与普通手糊FRP加固法进行比较，证明了真空辅助成型工艺加固混凝土梁能更好地发挥材料的性能，其加固后混凝土梁的性能能够得到显著提高。
　　 基于给定的材料本构关系模型和计算假定，根据力的平衡方程，推导出各种不同（弯曲）破坏类型下的受弯承载力，并与试验结果进行比较。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 土木工程结构中的现状

1.1.2 现有加固方法概述及比较

1.2 FRP在土木工程中的应用与发展

1.3 国内外FRP研究现状

1.3.1 现有FRP加固存在的问题

1.3.2 混杂纤维复合材料研究状况

1.3.3 碳-玄武岩纤维混杂纤维布的提出

1.4 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 碳-玄武岩纤维混杂布(CBFHS)力学性能试验研究

2.1 引言

2.2 手工制备CBFHS

2.2.1 CBFHS复合材料

2.2.2 张拉试验设备

2.2.3 CBFHS混杂铺层复合方法

2.2.4 张拉性能参数设计

2.3 CBFHS张拉试验

2.3.1 CBFHS-02m试验分析

2.3.2 CBFHS-05m试验分析

2.3.3 CBFHS-10m试验分析

2.4 混杂张拉力学性能分析

2.4.1 纤维长度方向表观弹性模量

2.4.2 沿纤维长度方向的抗拉强度

2.4.3 纤维长度参数的影响

2.5 本章小结

参考文献

第三章 真空辅助预应力CBFHS加固RC梁施工工艺研究

3.1 概述

3.1.1 复合材料辅助成型工艺

3.1.2 真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺

3.2 VARTM工艺材料与理论

3.2.1 树脂体系

3.2.2 导流介质

3.2.3 脱模材料

3.2.4 模腔真空度

3.2.5 空气的排除

3.3 真空辅助成型工艺加固修复建筑结构

3.3.1 VARTM加固梁工艺

3.3.2 真空辅助成型工艺加固工艺可行性研究

3.4 本章小结

参考文献

第四章 外贴预应力CBFHS抗弯加固RC/PRC梁性能试验研究

4.1 概述

4.2 试验梁的设计与制作

4.2.1 试验梁设计

4.2.2 试验施工工艺

4.2.3 加载方案

4.2.4 测试内容

4.3 预应力CBHFS加固RC梁抗弯性能试验研究

4.3.1 破坏特征及荷载-位移曲线

4.3.2 平截面假定的验证

4.3.3 开裂荷载

4.3.4 屈服荷载与最大承载力

4.3.5 加载与卸载刚度

4.3.6 位移延性

4.3.7 荷载-应变关系曲线

4.3.8 残余挠度

4.3.9 加固前后裂缝形态比较

4.4 本章小结

参考文献

第五章 预应力CBHFS加固RC梁正截面抗弯承载力分析

5.1 破坏模式

5.2 CBFHS加固RC梁受弯承载计算

5.2.1 计算基本假定

5.2.2 材料本构关系

5.2.3 消压弯矩的计算

5.2.4 弯曲破坏的破坏形式

5.2.5 界限破坏时CBHFS截面积的计算

5.2.6 纤维断裂破坏时Mu的计算

5.2.7 受压区混凝土压坏时承载力的计算

5.2.8 理论值与试验值的比较

5.3 预应力CBFHS加固RC梁粘结界面分析

5.4 预应力CBFHS加固RC梁延性及卸载曲线分析

5.4.1 卸载曲线及能量延性分析

5.4.2 理论分析结果

5.5 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1 本文主要研究结论

6.2 展望

致谢

作者攻读硕士期间发表的学术论文

附录

附录1 部分纤维张拉破坏图

附录2 真空辅助成型工艺材料及费用

附录3 新型加固方法定性比较

附录4 真空小梁部分试验图