FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)及混雜FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、由于寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)受到鹽害的侵蝕、遭遇地震災(zāi)害后結(jié)構(gòu)需要修復(fù)以及長期使用后結(jié)構(gòu)產(chǎn)生老化等原因，使FRP(Fiber Reinforced Polymer或Fiber Reinforced Plastics纖維增強(qiáng)聚合物)加固混凝土結(jié)構(gòu)和FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用得到了高度的重視。本文是結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)《高性能纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和上海市教委重點(diǎn)學(xué)科研究項(xiàng)目——“復(fù)合材料應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施工程的若干關(guān)鍵力學(xué)問題研究”中子

2、課題一：“FRP管約束混凝土”開展的一項(xiàng)科研工作。主要研究內(nèi)容分兩部分，第一部分為FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的基本性能研究，第二部分為混雜FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)研究。第一部分工作的主要目的是研究FRP與混凝土在不同受力狀態(tài)下的基本力學(xué)行為，為后繼FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)研究作準(zhǔn)備。第一部分的主要工作如下：(1)進(jìn)行了三根梁五種工況下FRP抗彎加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)。試件采用外伸梁模擬連續(xù)梁，以便研究支座處同時(shí)存在較大彎矩和剪力的應(yīng)力狀態(tài)

3、。研究了二次受力、FRP不同加固方式及破壞后加固對(duì)鋼筋混凝土外伸梁力學(xué)性能的影響，得到了荷載-撓度曲線、彎矩-曲率曲線、荷載-纖維應(yīng)變曲線等，并編制了計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行了理論分析和對(duì)比。(2)完成采用平衡型沿主應(yīng)力方向鋪設(shè)的GFRP(glass fiber reinforced polymer)編織布抗剪加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)。試驗(yàn)梁分簡支梁和外伸梁兩種系列共六根。外伸梁可模擬連續(xù)梁存在反彎點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)多條斜裂縫的應(yīng)力狀態(tài)。研究了抗剪加

4、固的破壞模式、斜裂縫分布規(guī)律和特征、GFRP用量對(duì)斜截面抗裂承載力和極限承載力的影響。此外運(yùn)用基于桁架模型的斜截面計(jì)算公式進(jìn)行了理論計(jì)算對(duì)比。為了避免剪切剝離破壞，設(shè)計(jì)了實(shí)用的防止抗剪剝離的錨固方法。(3)設(shè)計(jì)了T型自平衡雙剪粘結(jié)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行了直剪粘結(jié)試驗(yàn)和彎折粘結(jié)試驗(yàn)，研究了粘結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律和有效粘結(jié)長度的取值，得到了兩種受力情況下的有效應(yīng)力數(shù)值。對(duì)外伸梁負(fù)彎矩區(qū)延伸長度范圍內(nèi)GFRP粘結(jié)應(yīng)力作了測(cè)試，得到了該長度范圍內(nèi)粘

5、結(jié)應(yīng)力的分布曲線，探討了粘結(jié)應(yīng)力的特點(diǎn)。第二部分是本文的研究重點(diǎn)。FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)無論在材料性能還是在受力特點(diǎn)方面都有其他結(jié)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于對(duì)這種新穎結(jié)構(gòu)缺乏試驗(yàn)和理論研究，因此本文進(jìn)行了FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能研究，主要內(nèi)容如下：(1)通過8個(gè)試件的軸壓試驗(yàn)，對(duì)FRP管約束混凝土本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究，試件受力狀態(tài)分為FRP殼體受力和不受力兩種，試驗(yàn)得到了應(yīng)力-縱向應(yīng)變曲線、應(yīng)力-環(huán)向應(yīng)變曲線等。經(jīng)過對(duì)

6、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和回歸，指出了已有FRP管約束混凝土本構(gòu)Lam-Teng模型的不足，提出了修正Lam-Teng本構(gòu)模型，編制了計(jì)算程序，進(jìn)行了參數(shù)分析。經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的比較，證明所提出的本構(gòu)模型具有較高的精度。(2)進(jìn)行了混雜CFRP(carbon fiber reinforced polymer)/GFRP管混凝土和GFRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，共計(jì)5根梁抗彎試驗(yàn)，9根柱軸壓和偏壓試驗(yàn)。試驗(yàn)得到了荷載-撓度曲線、彎

7、矩-曲率曲線、荷載-鋼筋應(yīng)變曲線、荷載-纖維應(yīng)變曲線及彎矩-軸力相關(guān)曲線。理論上作了一維非線性數(shù)值模擬。一維非線性數(shù)值模擬中考慮了材料非線性和幾何非線性，受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用了FRP管約束混凝土本構(gòu)模型，采用經(jīng)典層板理論，編制了FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)壓彎構(gòu)件荷載-撓度全過程計(jì)算程序，分析了軸壓比、徑厚比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、縱筋配筋率、FRP鋪層角度對(duì)彎矩-曲率關(guān)系的影響，得到了不同F(xiàn)RP配置率時(shí)的彎矩-軸力相關(guān)曲線。探討了軸壓比

8、、長細(xì)比、徑厚比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、縱筋配筋率、FRP鋪層角度對(duì)FRP管混凝土壓彎構(gòu)件荷載-側(cè)向位移曲線的影響。 (3)參加了《高性能纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》編制工作，負(fù)責(zé)編寫了《高性能纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》建議稿中《FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)》章節(jié)的正文內(nèi)容及相應(yīng)的條文說明。這部分內(nèi)容是在本文第8章《FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)實(shí)用設(shè)計(jì)方法》研究成果的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外研究資料編寫而成的。[關(guān)鍵詞]FRP管混凝土，約束混