纤维增强塑料筋混凝土梁受力性能试验研究

摘要

纤维增强塑料筋(FRP筋)是以纤维为增强材料,以合成树脂为基体材料,并掺入适量辅助剂,经拉挤成型技术和必要的表面处理所形成的一种新型复合材料,具有比强度高、耐腐蚀性能好、可设计性强、抗疲劳性能好、耐电磁等独特优点.从设计的观点来看,近百年来的钢筋混凝土的资料显示,随着结构跨度的扩大,FRP筋混凝土结构得到了初步研究,通常是比较钢筋与FRP筋所反映的性能.FRP筋的应用依赖于其在荷载作用下的可靠性能.由于众多的原因,FRP筋作为混凝土增强材料替代钢筋,一般可应用于有特殊性能要求和钢筋易受到化学因素侵蚀的环境中.例如,FRP筋应用于支撑和围绕磁共振成像医疗设备的混凝土中及工业顶棚、电设备、反应设备的基座、岩土工程中的锚杆、侵蚀性环境的混凝土结构等海洋工程、桥梁工程、路面工程、岩土工程、医疗及化工工程的建设. 为了推动FRP筋及其混凝土结构在工程中的广泛应用,本文在山东省教育厅科技发展计划(项目名称:高性能碳纤维复合筋-CFRP筋的开发及利用,编号:01E06)的资助下,通过对FRP筋的力学性能和FRP筋混凝土梁正截面受弯性能试验数据的系统分析,结合现代钢筋混凝土结构的分析方法,对FRP筋混凝土梁正截面受弯性能进行了深入的研究,初步建立了适合于FRP筋特点的FRP筋混凝土梁正截面受弯性能的理论计算方法,总结提出了FRP筋混凝土受弯构件的设计方法和设计时的注意事项. 主要研究成果如下: 1.在试验研究的基础上,绘出了FRP筋的应力.应变曲线,较好地反映了FRP筋的荷载作用下的线弹性关系,测定了不同类型的FRP筋的各项力学性能指标. 2.试验研究表明,表面光圆FRP筋由于与混凝土间粘结强度低,其混凝土梁易发生粘结滑移破坏,FRP筋被拔出,混凝土梁裂缝集中,挠度发展较快,不宜作为普通加强筋使用.表面粘砂FRP筋与混凝土间有良好的粘结性能,在混凝土破坏之前二者能共同受力,裂缝比较均匀分散,且截面应变符合平截面假定,可以作为普通混凝土加强筋使用.单一纤维筋替代钢筋用于混凝土结构会发生无明显预兆的脆性破坏,不像钢筋混凝土构件表现出良好的延性性能.根据配筋率的大小及对抗弯性能的影响,FRP筋混凝土梁的破坏模式可以分为三类:受拉破坏、平衡破坏及受压破坏模式.FRP筋混凝土梁与普通钢筋混凝土梁相比,裂缝开展较快,挠度变化较大,破坏为脆性破坏.无论是超筋破坏模式或适筋破坏模式,设计时应严格按照平截面假定进行计算.但从安全角度考虑,设计时应按受压破坏模式计算. 3.建立了既适合于FRP筋混凝土梁特点,又与我国现行有关规范相协调的FRP筋混凝土梁的受弯承载力的计算方法和计算公式,计算结果与试验结果符合较好. 4.根据试验研究结果,分析了FRP筋混凝土梁挠度的特点,按照刚度解析法的原理,结合FRP筋的特性,探讨了FRP筋混凝土梁截面刚度的计算方法,初步建立了与钢筋混凝土梁计算方法相衔接的FRP筋混凝土梁截面刚度的计算公式,提出了反映FRP筋的配筋率、弹性模量及与混凝土之间的粘结性能对刚度影响情况的刚度影响系数β<,f>;通过对β<,f>,公式中系数к的研究确定,可以较好地估计FRP筋混凝土梁的挠度,本试验结果显示,对G-FRP筋:к=1.8左右;C-FRP筋:к=4左右. 5.参照钢筋混凝土梁裂缝宽度的计算方法,根据试验研究结果,分析了FRP筋混凝土梁裂缝的特点,建立了适应FRP筋混凝土梁特点的裂缝宽度计算公式,本试验结果显示,粘砂FRP筋:к<,ω>=0.48左右;光圆FRP筋к<,ω>=2.8左右,к<,ω>为裂缝宽度系数.但是,不同表面类型的FRP筋к<,ω>值还需要进一步的研究. 6.根据FRP筋的力学性能,参照钢筋混凝土受弯构件基本理论,按照FRP筋混凝土受弯构件超筋破坏的原则,阐述了FRP筋混凝土受弯构件的设计方法和设计时的注意事项. 本文的研究工作将为我国修订《纤维混凝土结构设计与施工规程》提供一定的理论依据,所提出的计算方法和有关公式可供参考和借鉴.相信随着FRP筋混凝土结构的研究水平不断提高,FRP筋必将成为21世纪重点发展的复合建材之一.

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1纤料筋维增强塑(FRP筋)的起源

1.2 FRP筋混凝土结构的国内外研究现状

1.3本文研究的主要内容

第二章 FRP筋的力学性能研究

2.1 FRP筋的设计与制作

2.2试验与分析

2.3试验结果统计

2.4试验结果汇总

2.5结论与建议

第三章 FRP筋混凝土梁试验研究

3.1试件设计与制作

3.2试验前准备

3.3加载制度与仪表布置

3.4试验结果与分析

3.5结论

第四章 FRP筋混凝土梁受弯承载力的计算研究

4.1正截面承载力设计的基本规定

4.2正截面承载力设计的参数计算

4.3 FRP筋混凝土梁的破坏模式

4.4单筋矩形截面梁正截面抗弯承载力计算基本公式

4.5双筋矩形截面梁正截面抗弯承载力计算基本公式

4.6 FRP筋的极限抗拉强度ffu的分析

4.7结论

第五章 FRP筋混凝土梁挠度的特点及计算方法

5.1 FRP筋混凝土梁挠度的特点

5.2 FRP筋混凝土梁挠度的计算方法

5.3结论

第六章 FRP筋混凝土梁裂缝的特点及计算方法

6.1 FRP筋混凝土梁裂缝的特点

6.2裂缝宽度计算

6.3 FRP筋混凝土梁裂缝宽度的其它计算方法

6.4结论

第七章 FRP筋混凝土受弯构件设计方法

7.1基本规定

7.2 FRP筋混凝土受弯构件的性能分析及设计原则

7.3计算公式的建立

7.4注意事项

第八章 主要结论与展望

8.1主要结论

8.2建议与展望

参考文献

致谢

附录A:攻读学位期间发表论文目录