CFRP筋束在体外预应力桥梁中的应用研究

摘要

CFRP筋是非金属复合材料,具有强度高、重量轻、耐腐蚀等多项优点,将其作为加强筋材替代钢筋与混凝土结合配置,既可满足混凝土桥梁的设计要求、提高桥梁跨越能力,又可提高其抗腐蚀性能。二十世纪八十年代,美国、日本、德国等国家就已着手将CFRP筋作为桥梁结构加强筋的应用研究。 为推进CFRP材料在我国桥梁工程中的应用,解决钢筋锈蚀及大跨度桥梁的建设等问题,本文结合国内首座CFRP筋束体外预应力混凝土公路桥梁的设计与建造,进行了理论与设计计算等多方面探索和创新研究。主要内容如下。 1.采用CFRP筋作体外预应力束的分析CFRP筋可用作桥梁体外预应力束,但其材性特殊,存在高应力状态下的蠕变破坏、温度线膨胀系数较混凝土小、弯折设置影响抗拉强度等问题,文中做了简明的分析；并就CFRP筋用作体外束时的各项预应力损失的计算方法、设计参数及设计中应注意的问题等做了研究,给出了各项预应力损失的实用计算方法或公式。探讨了CFRP筋作为桥梁体外预应力束的适用环境温度及预防破坏措施。 2.CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥正常使用极限状态分析方法研究分析总结了CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥的结构特点,提出采用能量法分析CFRP筋束体外预应力梁桥。在参照前人研究的基础上,提出了可直接计入“二次效应”影响的体外束应变与梁体变形之间的关系表达式。进而就正常使用状态下,不同转向块布置等情况推导了CFRP筋体外预应力桥梁的荷载一变形基本方程,给出了荷载作用下体外CFRP筋束应力增量及梁的挠度计算公式。 3.CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥正常使用极限状态影响因素分析分析总结了梁体内采用有粘结CFRP筋梁的布筋方式及有效截面惯性矩的计算方法。根据由能量法推导得出的CFRP筋束体外预应力梁桥的荷载.变形基本方程,分析了包括体外束布置形式(含偏心距、顺桥向转向块间距)、体外束截面积和弹性模量、梁的截面几何特性、荷载作用形式、二次效应、跨高比等多项参数的影响。 4.CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥受弯承载能力极限状态分析方法研究总结了国外CFRP筋预应力混凝土梁的受弯承载力试验研究,分析其所表现的特点,并结合我国的钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范给出了CFRP筋预应力混凝土梁破坏形态的界定方法；建立CFRP筋束体外预应力混凝土梁的截面平衡方程及受弯承载力计算公式。 将能量法扩展应用剑CFRP筋束体外预应力混凝士梁桥受弯承载力极限状态分析中,提出了考虑能量耗散的能量法,并推导了多种设计形式下梁的荷载.变形基本方程,用以分析CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥的体外束极限应力、极限挠度、二次效应影响和极限荷载。 5.CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥受弯承载能力极限状态影响因素分析首先采用扩展的能量法就梁体内配置钢筋和梁体内配置CFRP筋两种情况进行分析,确定CFRP筋束体外预应力梁在承载能力极限状态下的等效塑性铰区长度的主要影响因素；继而研究搜集国内外39片体外预应力梁的试验数据,通过回归分析得到梁内设普通钢筋及梁内设CFRP筋两种情况下的体外预应力混凝土梁体的等效塑性铰区长度计算公式。 在此基础上,分析了CFRP筋束体外预应力梁桥的承载能力极限状态影响因素,包括荷载作刚形式、体内有粘结筋的配筋率、体内有枯结筋的有效预应力、体外束弹性模量、体外束截面面积、体外束的初始有效预应力、混凝土强度、转向块间距、跨高比等。提出了CFRP筋束体外预应力混凝土桥梁在受弯承载能力极限状态下的体外束极限应力实用计算公式、梁体跨中极限挠度实用计算公式。 6.CFRP筋束预应力锚具研究分析总结了碳筋夹片式锚具主要的影响参数及合理的设计形式；研究了直筒粘结式碳绞线锚具。分析了环氧树脂粘结剂的粘结和破坏机理,给出了环氧树脂胶体的简化应力-应变关系曲线,以粘结介质与碳绞线界面的剪应力为主要参数,通过非线性有限元方法分析了剪应力分布特点及其与荷载的关系、锚具长度、粘结介质厚度、弹性模量的影响和设端堵的影响；还讨论了环氧树脂的改良方法。给出了界面剪应力简化分布模式及直筒粘结式锚具承载力的简化计算公式。 7.CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥的设计与施工设计了国内首座采用碳绞线作体外预应力束的公路桥梁。阐述了该桥的结构特点及设计中的分析要点；同时分析了该桥的施工过程中碳绞线体外预应力张拉施工的工艺要点。进而总结了CFRP筋束体外预应力梁桥设计及施工建议。 8.CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥试验进行了2片CFRP筋体外预应力模型梁受弯承载力试验,进一步验证了能量法分析梁受弯承载力的可靠性。在碳绞线体外预应力混凝土桥梁建设过程中进行了相关试验。试验包括碳绞线材料力学性能试验；张拉施工阶段预应力各项损失监测；预应力张拉过程及嗣后各施工阶段中,混凝七梁的挠度、应力以及体外束拉力变化的观测,为文中有关分析方法提供了验证依据。

目录

文摘

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第一章 绪 论

1.1. FRP在桥梁中的应用

1.2. FRP的特点及优势

1.2.1 FRP工程产品类型

1.2.2 FRP筋的特点

1.2.3 工程中使用的CFRP筋

1.2.4 FRP在桥梁工程中应用的优势

1.3. FRP筋的应用研究现状

1.3.1 理论及实验研究

1.3.2研究协会及规范编制

1.3.3 在桥梁工程中的应用研究投入

1.3.4 FRP筋在桥梁工程中的应用实例

1.3.5 FRP筋预应力桥梁工程造价问题

1.3.6 当前存在的主要问题

1.4. 本文的研究目的、意义及主要内容

1.4.1 研究目的、意义

1.4.2 主要研究内容

参考文献

第二章 CFRP筋作体外预应力束分析

2.1. 体外预应力桥梁发展概述

2.1.1 体外预应力结构特点

2.1.2 体外预应力桥梁沿革及发展

2.2. CFRP筋的蠕变

2.2.1蠕变的概念

2.2.2 蠕变对控制应力的影响

2.3. 温度膨胀系数问题

2.4. 弯折对CFRP筋的影响

2.5. CFRP筋的强度及控制应力取值

2.5.1 CFRP筋的抗拉标准强度与设计强度

2.5.2 CFRP筋控制应力的取值

2.6. 预应力损失分析

2.6.1摩擦损失

2.6.2锚固损失

2.6.3 分批张拉引起的混凝七弹性压缩损失

2.6.4松弛损失

2.6.5 收缩徐变损失

2.7. 适用的环境温度及预防破坏措施

2.8. 本章小结

参考文献

第三章 CFRP筋束体外预应力梁桥正常使用状态分析方法研究

3.1. CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥的结构特点

3.2. 能量法分析原理

3.2.1 能量法原理

3.2.2 CFRP筋束体外预应力梁的能量泛函方程

3.3. 设置多个转向块情况下梁的受力分析

3.2.1 双转向块情况下梁的受力分析

3.2.2 三转向块情况下梁的受力分析

3.4. 梁跨中局部区段设体外预应力筋梁的分析

3.3.1 双转向块情况下梁的受力分析

3.3.2 三转向块情况下梁的受力分析

3.5. 张拉阶段梁的受力分析

3.6. 本章小结

参考文献

第四章 CFRP筋束体外预应力梁桥正常使用状态影响因素分析

4.1. CFRP筋混凝土梁的配筋方式及有效截面惯性矩

4.1.1 梁内CFRP筋布置方式

4.1.2有效截面惯性矩

4.2. 体外束布置方式及其材性的影响

4.2.1 偏心距的影响

4.2.2 转向块间距的影响

4.2.3 CFRP筋束截面积的影响

4.2.4 筋束弹性模量的影响

4.3. 梁体尺寸及混凝土材性的影响

4.3.1 梁抗弯惯性矩的影响

4.3.2 梁截面面积的影响

4.3.3 跨高比的影响

4.3.4 混凝土弹性模量的影响

4.4. 荷载量值及形式的影响

4.5. 二次效应影响分析

4.6. 转向块摩擦影响分析

4.7. 本章小结

参考文献

第五章 CFRP筋束体外预应力梁桥受弯承载能力极限状态分析方法研究

5.1. 受弯承载能力研究

5.1.1 试验研究

5.1.2 CFRP筋体外束极限应力计算方法研究现状

5.2. CFRP筋束体外预应力梁受弯承载力极限状态的分析思路

5.3. 梁控制截面平衡方程

5.3.1 CFRP筋顶应力混凝土梁的破坏形态界定

5.3.2 材料的平均强度

5.3.3 梁体内采用有粘结钢筋时的平衡方程

5.3.4梁体内采用有粘结CFRP筋的平衡方程

5.4. 梁的等效塑性铰区

5.4.1 等效塑性铰区概念

5.4.2 等效塑性铰区混凝土平均弹塑性模量的取值

5.4.3 加载过程中能量耗散问题

5.5. 梁体变形曲线及能量方程

5.6. 设置多个转向块时梁的受力分析

5.6.1 双转向块情况下梁的受力分析

5.6.2三转向块情况下梁的受力分析

5.7. 梁跨中局部区段设体外预应力筋的分析

5.7.1 双转向块情况下梁的受力分析

5.7.2三转向块情况下梁的受力分析

5.8. 不设转向块及单转向块情况的分析

5.8.1 不设转向块的受力分析

5.8.2 设单转向块情况的受力分析

5.9. 本章小结

参考文献

第六章 CFRP筋束体外预应力梁桥受弯承载能力极限状态影响因素分析

6.1. 等效塑性铰区长度的确定

6.1.1 国内外的研究概况

6.1.2 等效塑性铰区长度影响因素及取值分析

6.1.3 试验分析及等效塑性铰区长度的确定

6.2. 梁体内设普通钢筋时的抗弯承载能力极限状态影响因素分析

6.2.1 荷载作用形式的影响

6.2.2 梁体内有粘结筋的配筋率的影响

6.2.3 体外CFRP筋束的布置及材性影响

6.2.4 梁体尺寸及混凝土材性的影响

6.3. 梁体内设CFRP筋时的抗弯承载能力极限状态影响因素分析

6.3.1 荷载作用形式的影响

6.3.2 梁内有粘结CFRP筋的影响

6.3.3 体外CFRP筋束布置及材性的影响

6.3.4 梁体尺寸及混凝土材性的影响

6.4. 抗弯承载能力极限状态实用计算方法

6.4.1 体外CFRF筋束、体内筋配置数量估算

6.4.2 体外CFRP筋束极限应力实用计算公式

6.4.3 梁跨中挠度实用估算公式

6.4.4 体外CFRP筋束体外预应力梁受弯承载力计算及延性分析

6.5. 本章小结

参考文献

第七章 CFRP筋束预应力锚具研究

7.1. CFRP筋锚具的研究现状

7.2. CFRP筋锚具的主要类型及特点

7.3. CFRP筋灾片式锚具简析

7.3.1 锚固机理

7.3.2 分析方法

7.3.3 CFRP筋单孔夹片式锚具设计形式

7.3.4试验方法及分析

7.4. 碳绞线粘结式锚具的研究

7.4.1 粘结式锚具的基本尺寸设计及粘结介质

7.4.2 环氧树脂胶粘剂粘结及破坏机理

7.4.3 粘结式锚具的受力分析

7.4.4 界面剪应力简化分布模式及承载力公式

7.5. 本章小结

参考文献

第八章 CFRP筋束体外预应力梁桥的设计与施工

8.1. 何圩桥的设计

8.1.1 总体设计

8.1.2转向块及锚具设计

8.1.3 碳纤维筋的顶应力损失计算

8.1.4 普通钢筋的布置

8.1.5 抗弯承载能力极限状态分析

8.1.6作用效应在梁内的分配及正常使用极限状态分析

8.2. 标准跨径25M的п梁设计

8.3. 标准跨径30M梁体内设CFRP筋的п梁设计

8.4. 何圩桥的施工工艺

8.4.1 碳绞线的安装

8.4.2 碳绞线张拉施工设备及施工过程

8.5. 设计中应注意的问题及设计步骤

8.6. 施工中应注意的问题

8.6.1 保护和存储

8.6.2施工准备及安装

8.6.3测试及张拉

8.7. 本章小结

参考文献

第九章 CFRP筋束体外预应力梁桥试验研究

9.1. 模型梁试验分析

9.1.1 模型梁制备

9.1.2试验内容及测点设置

9.1.3 试验过程及试验结果

9.2. 碳绞线预应力损失监测与分析

9.2.1 碳绞线性能测试

9.2.2 筋束与转向块摩擦引起的损失

9.2.3 锚具变形、接缝压缩等引起的应力损失测试

9.2.4 混凝土弹性压缩引起的应力损失测试

9.2.5碳绞线应力松弛及混凝土收缩徐变损火估算

9.3. 张拉施工过程中梁体应变及变形的观测

9.3.1 测点布置

9.3.2张拉施工阶段

9.3.3测试结果分析

9.4. 二期恒载试验

9.5. 本章小结

参考文献

附录9.A

第十章 研究结论与展望

10.1.主要研究成果

10.1.1理论分析

10.1.2参数分析

10.1.3实桥设计与建设

10.1.4试验研究

10.2.主要创新点

10.3. 值得进一步研究的问题

作者在攻读博士学位期间发表的论文

后记

鸣谢