土木结构用混杂复合材料筋制备及其性能研究

论文摘要

纤维增强复合材料(简称FRP)是一种新型建筑材料,它具有强度高、质量轻、耐腐蚀、非磁性、易于施工等优点。目前,这种新型材料的应用体系在美国、日本和欧洲已较为成熟。我国于二十世纪九十年代开始开展有关FRP的研究工作,前期研究主要集中在外贴FRP片材加固混凝土结构方面,且此方面的研究与应用技术正趋于成熟。FRP筋材在土木工程中具有良好的应用前景与经济效益。近年来,FRP筋材增强混凝土结构已成为国内外研究的热点和重点。本文结合已有研究成果,通过FRP筋制备工艺和力学性能试验研究,探讨了混杂FRP筋的混杂效应、破坏机理以及理论分析方法。需要说明,本文的研究工作得到了科技部科研院所技术开发研究专项资金(编号:2005)、江苏省科技攻关项目(编号:BE2002003)的资助。论文主要内容归纳如下:(1)进行了单向混杂复合材料拉伸强度的研究。基于三维剪滞模型,提出了两级三维剪滞分析模型。分别进行了碳纤维、玻璃纤维在不同混杂比和混杂方式下的参数分析与试验研究。研究表明,碳纤维体积含量等于5%时,材料出现二次破坏特征,而碳纤维体积含量大于5%时呈现一次破坏。相同混杂比例条件下,混杂方式对FRP筋强度和破坏延伸率的影响较不显著。本文建立的分析模型能够较好地反映混杂复合材料的拉伸强度与破坏特征。(2)试验研究表明,将传统拉挤成型工艺与缠绕成型工艺相结合,可用于制备土木工程用混杂FRP筋。本文基于拉挤成型工艺,研制了FRP筋制备缠绕装置、加热固化装置、树脂配方体系和工艺制度等。参数分析表明,树脂基体配方、成型温度、速度等因素对工艺性能有较大影响。本文提出的工艺和配方体系可用于复合材料筋的制备。(3)通过两种FRP筋混杂组织结构、18组不同混杂比的FRP筋的拉伸性能试验,分析了FRP筋拉伸断裂的破坏过程和破坏特征。研究表明,试验结果与理论预测结果较吻合。将碳纤维和玻璃纤维合理混杂,可改善单一纤维增强筋的强度、弹性模量及断裂伸长率等力学性能。此外,还根据试验提出了修正的拉伸强度预测方法,该方法可用于混杂FRP筋的初步设计。(4)进行了FRP筋疲劳性能试验研究,探讨了纤维类型对混杂FRP筋性能的影响。研究表明,高强度玻璃纤维增强FRP筋的疲劳性能明显优于E玻璃纤维FRP筋,且高强4号玻璃纤维增强FRP筋的疲劳强度高于高强2号玻璃纤维增强FRP筋。(5)进行了FRP筋的粘结性能试验,探讨了FRP筋的粘结强度以及FRP筋与混凝土的滑移特性。试验研究表明,FRP筋与混凝土的粘结强度略低于钢筋与混凝土的粘结强度。(6)开展了FRP筋的示范工程应用。FRP筋增强混凝土污水处理池的现场测试表明,结构变形和应力均较小,结构整体处于正常工作状态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和工程意义
• 1.2 复合材料筋增强混凝土结构的研究发展和应用现状
• 1.3 复合材料筋的研究现状
• 1.3.1 复合材料筋的工艺研究
• 1.3.2 拉伸性能研究
• 1.3.3 混杂复合材料筋的研究
• 1.3.4 复合材料筋应用研究
• 1.4 本文主要研究内容和创新点
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 主要创新点
• 参考文献
• 2 拉-绕混杂复合材料筋的制备工艺与性能研究
• 2.1 拉绕混杂复合材料筋的制备工艺研究
• 2.1.1 前言
• 2.1.2 拉-绕成型装备研究
• 2.1.3 复合材料筋制备工艺研究
• 2.1.4 工艺参数研究
• 2.1.5 混杂复合材料筋制备
• 2.2 混杂复合材料筋拉伸性能试验研究
• 2.2.1 前言
• 2.2.2 拉伸性能实验
• 2.2.3 拉伸性能预测
• 2.2.4 结果和分析
• 2.2.5 小结
• 2.3 疲劳性能研究
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 试验部分
• 2.3.3 结果与分析
• 2.3.4 小结
• 2.4 断口分析
• 参考文献
• 3 单向混杂复合材料拉伸性能的两级分析
• 3.1 前言
• 3.2 两级三维剪滞模型
• 3.3 算法与分析
• 3.4 小结
• 参考文献
• 4 拉绕混杂复合材料筋/混凝土粘接性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验设计
• 4.2.1 试件设计
• 4.2.2 加载与测试
• 4.3 试验结果
• 4.3.1 拉拔试件的粘结应力—滑移曲线
• 4.3.2 梁式试件的粘结应力—滑移曲线
• 4.3.3 试件的破坏特征
• 4.3.4 试件的受力过程
• 4.4 试验结果分析
• 4.4.1 拉拔试验
• 4.4.2 梁式试验
• 4.4.3 本试验结果与国外试验结果的对比
• 4.5 CFRP筋粘结性能研究
• 4.5.1 试验设计
• 4.5.2 试验结果
• 4.5.3 试验结果分析
• 4.6 小结
• 参考文献
• 5 拉绕混杂复合材料筋工程应用研究
• 5.1 工程概况
• 5.2 测试内容
• 5.3 外观质量检查
• 5.4 现场测试
• 5.5 测试数据分析
• 5.6 小结
• 参考文献
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 攻读博士学位期间发表（含录用）的论文
• 致谢