FRP加固混凝土结构及混杂FRP管混凝土组合结构研究

摘要

由于寒冷地区混凝土结构受到盐害的侵蚀、遭遇地震灾害后结构需要修复以及长期使用后结构产生老化等原因，使FRP(Fiber Reinforced Polymer或Fiber Reinforced Plastics纤维增强聚合物)加固混凝土结构和FRP管混凝土组合结构的研究和应用得到了高度的重视。本文是结合国家标准《高性能纤维复合材料应用技术规范》和上海市教委重点学科研究项目——“复合材料应用于基础设施工程的若干关键力学问题研究”中子课题一：“FRP管约束混凝土”开展的一项科研工作。主要研究内容分两部分，第一部分为FRP加固混凝土结构的基本性能研究，第二部分为混杂FRP管混凝土组合结构研究。第一部分工作的主要目的是研究FRP与混凝土在不同受力状态下的基本力学行为，为后继FRP管混凝土组合结构研究作准备。第一部分的主要工作如下：(1)进行了三根梁五种工况下FRP抗弯加固钢筋混凝土梁试验。试件采用外伸梁模拟连续梁，以便研究支座处同时存在较大弯矩和剪力的应力状态。研究了二次受力、FRP不同加固方式及破坏后加固对钢筋混凝土外伸梁力学性能的影响，得到了荷载-挠度曲线、弯矩-曲率曲线、荷载-纤维应变曲线等，并编制了计算机程序进行了理论分析和对比。(2)完成采用平衡型沿主应力方向铺设的GFRP(glass fiber reinforced polymer)编织布抗剪加固钢筋混凝土梁试验。试验梁分简支梁和外伸梁两种系列共六根。外伸梁可模拟连续梁存在反弯点时出现多条斜裂缝的应力状态。研究了抗剪加固的破坏模式、斜裂缝分布规律和特征、GFRP用量对斜截面抗裂承载力和极限承载力的影响。此外运用基于桁架模型的斜截面计算公式进行了理论计算对比。为了避免剪切剥离破坏，设计了实用的防止抗剪剥离的锚固方法。(3)设计了T型自平衡双剪粘结试验模型，进行了直剪粘结试验和弯折粘结试验，研究了粘结应力分布规律和有效粘结长度的取值，得到了两种受力情况下的有效应力数值。对外伸梁负弯矩区延伸长度范围内GFRP粘结应力作了测试，得到了该长度范围内粘结应力的分布曲线，探讨了粘结应力的特点。第二部分是本文的研究重点。FRP管混凝土组合结构无论在材料性能还是在受力特点方面都有其他结构不可比拟的优势。由于对这种新颖结构缺乏试验和理论研究，因此本文进行了FRP管混凝土组合结构的基本力学性能研究，主要内容如下：(1)通过8个试件的轴压试验，对FRP管约束混凝土本构关系进行了研究，试件受力状态分为FRP壳体受力和不受力两种，试验得到了应力-纵向应变曲线、应力-环向应变曲线等。经过对试验数据的分析和回归，指出了已有FRP管约束混凝土本构Lam-Teng模型的不足，提出了修正Lam-Teng本构模型，编制了计算程序，进行了参数分析。经过试验数据与理论计算的比较，证明所提出的本构模型具有较高的精度。(2)进行了混杂CFRP(carbon fiber reinforced polymer)/GFRP管混凝土和GFRP管混凝土组合结构的试验，共计5根梁抗弯试验，9根柱轴压和偏压试验。试验得到了荷载-挠度曲线、弯矩-曲率曲线、荷载-钢筋应变曲线、荷载-纤维应变曲线及弯矩-轴力相关曲线。理论上作了一维非线性数值模拟。一维非线性数值模拟中考虑了材料非线性和几何非线性，受压应力-应变关系采用了FRP管约束混凝土本构模型，采用经典层板理论，编制了FRP管混凝土组合结构压弯构件荷载-挠度全过程计算程序，分析了轴压比、径厚比、混凝土强度等级、纵筋配筋率、FRP铺层角度对弯矩-曲率关系的影响，得到了不同FRP配置率时的弯矩-轴力相关曲线。探讨了轴压比、长细比、径厚比、混凝土强度等级、纵筋配筋率、FRP铺层角度对FRP管混凝土压弯构件荷载-侧向位移曲线的影响。 (3)参加了《高性能纤维复合材料应用技术规范》编制工作，负责编写了《高性能纤维复合材料应用技术规范》建议稿中《FRP管混凝土组合结构》章节的正文内容及相应的条文说明。这部分内容是在本文第8章《FRP管混凝土组合结构实用设计方法》研究成果的基础上，参考国内外研究资料编写而成的。[关键词]FRP管混凝土，约束混凝土，本构模型，压弯，抗弯，抗剪，±45°铺层，加固，粘结

目录

文摘

英文文摘

声明

第一部分 FRP与混凝土结构相互作用的基本性能研究

第1章 FRP在混凝土结构方面的研究和应用现状

1.1 FRP在混凝土结构方面研究和应用的历史

1.2 FRP加固混凝土材料种类和性能

1.3 FRP在混凝土结构方面的主要研究成果

1.4本文主要工作

1.5本文的创新点

第2章 FRP抗弯加固钢筋混凝土外伸梁研究

2.1引言

2.2试验设计

2.3试验结果分析

2.4一维杆件非线性数值模拟

2.5理论值与试验值对比

2.6结论

参考文献

第3章 FRP抗剪加固钢筋混凝土粱研究

3.1引言

3.2 ±45°铺层抗剪试验设计

3.3试验过程及现象描述

3.4试验结果分析

3.5 FRP抗剪加固钢筋混凝土梁的理论分析

3.6结论

参考文献

第4章 FRP与混凝土界面粘结性能试验研究

4.1概述

4.2国内外研究现状

4.3 FRP与混凝土粘结性能双剪和弯折试验研究

4.4 FRP与混凝土在延伸长度内粘结性能的梁式试验研究

4.5结论

参考文献

第二部分 FRP管混凝土组合结构研究

第5章 FRP管混凝土组合结构研究和应用现状

第6章 FRP管约束混凝土本构模型研究

6.1 FRP约束混凝土本构模型研究综述

6.2 FRP约束混凝土本构模型试验设计

6.3试验过程及试验现象

6.4试验结果分析

6.5 FRP管约束混凝土本构模型

6.6理论分析与试验对比

6.7结论

参考文献

第7章 FRP管混凝土组合结构研究

7.1引言

7.2试件及试验方法

7.3试验过程及结果

7.4一维杆件非线性数值模拟

7.5理论与试验对比

7.6结论

参考文献

第8章 FRP管混凝土组合结构实用设计方法

8.1 FRP管混凝土组合梁受弯承载力计算

8.2 FRP管混凝土组合梁受剪承载力设计

8.3 FRP管混凝土组合柱受压承载力设计

8.4 FRP管混凝土组合柱延性设计

8.5构造要求

参考文献

第9章 总结

9.1本文研究工作总结

9.2今后研究方向

附录 源程序

致谢

攻读博士学位期间发表的论文