CFRP筋束在體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的應(yīng)用研究.pdf

1、CFRP筋是非金屬復(fù)合材料,具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),將其作為加強(qiáng)筋材替代鋼筋與混凝土結(jié)合配置,既可滿足混凝土橋梁的設(shè)計(jì)要求、提高橋梁跨越能力,又可提高其抗腐蝕性能。二十世紀(jì)八十年代,美國、日本、德國等國家就已著手將CFRP筋作為橋梁結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋的應(yīng)用研究。 為推進(jìn)CFRP材料在我國橋梁工程中的應(yīng)用,解決鋼筋銹蝕及大跨度橋梁的建設(shè)等問題,本文結(jié)合國內(nèi)首座CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋梁的設(shè)計(jì)與建造,進(jìn)行了理論與設(shè)計(jì)

2、計(jì)算等多方面探索和創(chuàng)新研究。主要內(nèi)容如下。 1.采用CFRP筋作體外預(yù)應(yīng)力束的分析CFRP筋可用作橋梁體外預(yù)應(yīng)力束,但其材性特殊,存在高應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變破壞、溫度線膨脹系數(shù)較混凝土小、彎折設(shè)置影響抗拉強(qiáng)度等問題,文中做了簡明的分析；并就CFRP筋用作體外束時(shí)的各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算方法、設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題等做了研究,給出了各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失的實(shí)用計(jì)算方法或公式。探討了CFRP筋作為橋梁體外預(yù)應(yīng)力束的適用環(huán)境溫度及預(yù)防破壞措施

3、。 2.CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋正常使用極限狀態(tài)分析方法研究分析總結(jié)了CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出采用能量法分析CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力梁橋。在參照前人研究的基礎(chǔ)上,提出了可直接計(jì)入“二次效應(yīng)”影響的體外束應(yīng)變與梁體變形之間的關(guān)系表達(dá)式。進(jìn)而就正常使用狀態(tài)下,不同轉(zhuǎn)向塊布置等情況推導(dǎo)了CFRP筋體外預(yù)應(yīng)力橋梁的荷載一變形基本方程,給出了荷載作用下體外CFRP筋束應(yīng)力增量及梁的撓度計(jì)算公式。 3.

4、CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋正常使用極限狀態(tài)影響因素分析分析總結(jié)了梁體內(nèi)采用有粘結(jié)CFRP筋梁的布筋方式及有效截面慣性矩的計(jì)算方法。根據(jù)由能量法推導(dǎo)得出的CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力梁橋的荷載.變形基本方程,分析了包括體外束布置形式(含偏心距、順橋向轉(zhuǎn)向塊間距)、體外束截面積和彈性模量、梁的截面幾何特性、荷載作用形式、二次效應(yīng)、跨高比等多項(xiàng)參數(shù)的影響。 4.CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋受彎承載能力極限狀態(tài)分析方法研究總結(jié)了國外

5、CFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受彎承載力試驗(yàn)研究,分析其所表現(xiàn)的特點(diǎn),并結(jié)合我國的鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范給出了CFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁破壞形態(tài)的界定方法；建立CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的截面平衡方程及受彎承載力計(jì)算公式。 將能量法擴(kuò)展應(yīng)用劍CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝士梁橋受彎承載力極限狀態(tài)分析中,提出了考慮能量耗散的能量法,并推導(dǎo)了多種設(shè)計(jì)形式下梁的荷載.變形基本方程,用以分析CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的體外

6、束極限應(yīng)力、極限撓度、二次效應(yīng)影響和極限荷載。 5.CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋受彎承載能力極限狀態(tài)影響因素分析首先采用擴(kuò)展的能量法就梁體內(nèi)配置鋼筋和梁體內(nèi)配置CFRP筋兩種情況進(jìn)行分析,確定CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力梁在承載能力極限狀態(tài)下的等效塑性鉸區(qū)長度的主要影響因素；繼而研究搜集國內(nèi)外39片體外預(yù)應(yīng)力梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過回歸分析得到梁內(nèi)設(shè)普通鋼筋及梁內(nèi)設(shè)CFRP筋兩種情況下的體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁體的等效塑性鉸區(qū)長度計(jì)算公式。

7、 在此基礎(chǔ)上,分析了CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力梁橋的承載能力極限狀態(tài)影響因素,包括荷載作剛形式、體內(nèi)有粘結(jié)筋的配筋率、體內(nèi)有枯結(jié)筋的有效預(yù)應(yīng)力、體外束彈性模量、體外束截面面積、體外束的初始有效預(yù)應(yīng)力、混凝土強(qiáng)度、轉(zhuǎn)向塊間距、跨高比等。提出了CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在受彎承載能力極限狀態(tài)下的體外束極限應(yīng)力實(shí)用計(jì)算公式、梁體跨中極限撓度實(shí)用計(jì)算公式。 6.CFRP筋束預(yù)應(yīng)力錨具研究分析總結(jié)了碳筋?yuàn)A片式錨具主要的影響參數(shù)及合

8、理的設(shè)計(jì)形式；研究了直筒粘結(jié)式碳絞線錨具。分析了環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的粘結(jié)和破壞機(jī)理,給出了環(huán)氧樹脂膠體的簡化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,以粘結(jié)介質(zhì)與碳絞線界面的剪應(yīng)力為主要參數(shù),通過非線性有限元方法分析了剪應(yīng)力分布特點(diǎn)及其與荷載的關(guān)系、錨具長度、粘結(jié)介質(zhì)厚度、彈性模量的影響和設(shè)端堵的影響；還討論了環(huán)氧樹脂的改良方法。給出了界面剪應(yīng)力簡化分布模式及直筒粘結(jié)式錨具承載力的簡化計(jì)算公式。 7.CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的設(shè)計(jì)與施工設(shè)計(jì)了國內(nèi)

9、首座采用碳絞線作體外預(yù)應(yīng)力束的公路橋梁。闡述了該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)中的分析要點(diǎn)；同時(shí)分析了該橋的施工過程中碳絞線體外預(yù)應(yīng)力張拉施工的工藝要點(diǎn)。進(jìn)而總結(jié)了CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力梁橋設(shè)計(jì)及施工建議。 8.CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋試驗(yàn)進(jìn)行了2片CFRP筋體外預(yù)應(yīng)力模型梁受彎承載力試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了能量法分析梁受彎承載力的可靠性。在碳絞線體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁建設(shè)過程中進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)包括碳絞線材料力學(xué)性能試驗(yàn)；張拉施工階段預(yù)