GFRP-混凝土叠合构件抗冲击性能研究

摘要

与传统材料相比，纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)具有轻质高强、耐腐蚀性等优点。由于FRP造价较高、弹性模量较低，越来越多的学者开始研究FRP组合构件，其中尤以FRP-混凝土叠合构件的研究最为广泛。已有的研究多侧重于FRP-混凝土叠合结构在静力荷载作用下的性能分析，对其在冲击荷载作用下的受力性能研究较少。因此，对FRP-混凝土叠合构件的抗冲击性能进行研究具有重要的现实意义。
　　本文对1根纯GFRP箱型构件与6根不同规格的GFRP-混凝土叠合构件进行了冲击试验及数值模拟研究。论文主要研究工作及成果有:
　　1.利用摇臂式冲击加载设备对构件进行了冲击试验研究，分析了纯GFRP构件与GFRP-混凝土叠合构件的抗冲击性能。冲击荷载作用下，纯GFRP构件表现出良好的耗散冲击能量的能力，而材料本身弹性模量较小，构件变形响应较大;GFRP-混凝土叠合构件，截面刚度大，变形响应较小，但GFRP与混凝土之间易发生界面破坏。
　　2.分析了冲击方向、混凝土高度、混凝土性能和界面处理方法对构件抗冲击性能的影响。结果表明:GFRP-混凝土叠合构件耗散侧向冲击能量能力优于其耗散竖向冲击能量的能力;随着混凝土高度的增加，叠合构件的变形响应逐渐减小，构件耗散冲击能量的能力变化不大;利用活性粉末混凝土(RPC)替换素混凝土能够有效的提高构件耗散冲击能量的能力，但对构件变形响应的影响很小;粘结石子的界面处理方法在静载条件下能够有效传递组合界面剪力，而在冲击荷载下无法使GFRP与混凝土良好的协同工作。
　　3.应用ANSYS/LS-DYNA软件，建立了GFRP-混凝土叠合构件的累次冲击计算模型。将模拟结果与试验结果进行对比，验证了有限元计算模型的准确性。利用冲击计算模型对冲击荷载下GFRP-混凝土叠合构件的耗能机理进行了研究，研究发现:构件耗散的冲击能量可以分为混凝土弹性变形耗能、混凝土塑性变形耗能以及GFRP弹性耗能三个部分。
　　4.通过冲击计算模型分析了构件跨高比、截面高度比等参数对GFRP-混凝土叠合构件冲击响应的影响规律。结果表明FRP-混凝土叠合构件的合理跨高比在10～20，混凝土与构件截面的合理高度比在0.23～0.27。
　　本文对GFRP-混凝土叠合构件进行了冲击试验及数值模拟研究，细致的解析了冲击荷载下构件的工作机理，讨论了多参数对构件冲击响应的影响规律，为GFRP-混凝土叠合构件在实际工程中的进一步推广及应用做出了贡献。

目录

声明

致谢

摘要

1．1选题的背景与意义

1．2国内外的研究现状

1．2．1静力荷载下FRP-混凝土组合结构受力性能的研究

1．2．2冲击荷载下FRP-混凝土组合结构受力性能的研究

1．3本文的研究内容

1．4研究方法及技术路线

2 GFRP-混凝土叠合构件冲击试验研究

2．1试验设计

2．1．1试件设计

2．1．2试验材料

2．1．3试验设备

2．1．4加载过程

2．2试验现象

2．3试验结果分析

2．3．1破坏模式分析

2．3．2跨中挠度分析

2．3．4冲击力分析

2．3．5跨中应变分析

2．4本章小结

3冲击荷载下GFRP-混凝土叠合构件的有限元计算模型

3．2．1累次冲击的实现

3．2．2裂缝扩展与损伤累积的实现

3．3数值仿真结果与分析

3．3．1结构损伤分析

3．3．2跨中挠度时程分析

3．3．3冲击力时程分析

3．4冲击荷载下GFRP-混凝土叠合构件工作机理研究

3．4．1分析对象选取

3．4．2冲击荷载工况

3．4．3不同工况下构件损伤分析

3．4．4单次冲击的全过程分析

3．4．5 累次冲击对构件冲击响应影响的研究

3．5本章小结

4 GFRP-混凝土叠合构件冲击响应影响参数分析

4．1分析对象选取

4．2非构件影响参数分析

4．2．1冲击物质量

4．2．2冲击物弹性模量

4．2．3冲击速度

4．2．4冲击点位置

4．2．5 约束条件

4．3构件影响参数分析

4．3．1构件的跨高比

4．3．2构件的截面高度比

4．3．3混凝土强度

4．3．4 FRP种类

4．4本章小结

5．1本文的主要结论

5．2研究创新与特色之处

5．3工作展望

参考文献

作者简历