预应力CFRP布加固钢箱梁与混凝土组合梁力学性能

摘要

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)具有强度高、质量轻、抗疲劳、耐腐蚀及施工方便等优点。已经在土木工程领域很多工程中得到应用，特别在加固混凝土结构中显示独特的优越性。国内外研究表明，利用FRP布加固钢筋混凝土和钢结构受弯构件时，FRP的高强度特点在混凝土受拉钢筋或钢结构受拉边缘屈服以前所起的作用是有限的，仅在混凝土梁中受拉钢筋屈服或钢结构受拉区屈服后才得以发挥。针对这一问题，将传统预应力技术与FRP加固技术相结合，能更进一步提高结构的承载力和刚度，减小组合梁的变形，在受拉区城引入压应力而减小了疲劳破坏，并使FRP布抗拉强度得以充分应用，材料使用更加充分。目前，对利用CFRP布加固梁式钢结构和钢与混凝土组合梁的研究尚比较少见，为此，作者研究了预应力CFRP布加固钢箱梁与混凝土组合梁的力学性能研究。
　　 在分析国内外研究CFRP加固混凝土结构和钢结构的基础上，提出利用预应力CFRP布加固钢箱梁与混凝土组合梁的方法，建立施加预应力阶段的CFRP布与钢梁界面粘结力计算公式，计算主要影响因素对界面剪力的影响及界面剪力沿组合梁分布；分析预应力CFRP布钢箱梁与混凝土组合梁的工作性能，建立施加预应力阶段、施工阶段及消压阶段的弹性受力分析模型，建立预应力CFRP布钢箱梁与混凝土简支组合梁的弹性抗弯承载力和极限承载力的计算公式；
　　 利用弹性理论，建立预应力CFRP布钢箱梁与混凝土板界面滑移计算公式，分别利用附加变形法和弹性理论建立了组合梁的变形计算公式，分别利用弹力理论和变分理论建立了组合界面剪力计算公式，并计算分析连接刚度、荷载作用大小及预应力CFRP布内力增量等对组合梁的界面滑移、组合梁变形及组合界面剪力的影响；
　　 通过分析混凝土徐变理论及计算方法，根据预应力CFRP布钢箱梁与混凝土组合梁的结构特点，建立了考虑混凝土徐变效应影响下的组合梁的内力、变形、滑移等计算模型，探讨了混凝土徐变效应对组合梁内力及变形等影响，以及相对湿度、混凝土强度等级等设计参数对组合梁的内力、变形及界面滑移的影响；
　　 采用合成法，编制了预应力CFRP布钢箱梁与混凝土组合梁非线性全过程分析程序，计算得到了组合梁的弯矩（荷载）一曲率（变形）关系曲线，计算分析混凝土强度、含钢率、预应力等对组合梁的变形和承载力的影响；
　　 利用ANSYS计算分析程序对预应力CFRP布钢箱梁与混凝土组合梁的整个受力过程进行数值模拟。计算分析了施加预应力阶段、混凝土开裂、钢梁下翼缘屈服、极限状态时的混凝土和钢梁的应力与应变状态，以及组合梁的变形与滑移等发展规律等。