FRP筋混凝土梁受力性能的试验研究及理论分析

论文摘要

纤维塑料筋(FRP筋)是以连续纤维组成的复合材料。传统的钢筋混凝土结构由于钢筋易锈蚀的原因，其应用受到许多限制，而采用强度高、耐腐蚀性能好的FRP筋替代普通钢筋是一条有效的防腐途径。然而，由于FRP筋的弹性模量低、具有线弹性的应力—应变关系、横向抗剪强度低以及其与混凝土间的粘结性能有较大的区别等原因，使得FRP筋混凝土构件的结构性能与普通钢筋混凝土构件存在着较大的差异，用于钢筋混凝土结构的计算和设计方法已不能适用于FRP筋混凝土结构。本文从2003年开始，对FRP筋混凝土梁的受力性能进行了试验研究和理论分析，共进行了45个试件的试验研究，同时还参考了国内外文献中近20根试件的试验结果，研究内容包括：FRP筋的粘结性能、FRP筋非预应力混凝土梁的变形及裂缝的计算与控制、FRP筋非预应力混凝土梁的延性性能分析、部分预应力部分粘结模式的CFRP筋预应力混凝土梁受力性能及有限元分析、FRP筋预应力混凝土梁的承载力计算与设计、FRP筋预应力混凝土梁受弯性能的非线性有限元分析等，本文的主要研究内容和成果如下： 1、FRP筋与混凝土粘结性能的研究 在30个试件拔出试验的基础上，研究了FRP筋与混凝土间的粘结滑移机理；分析了FRP筋在粘结滑移性能方面与普通钢筋的区别；提出了能够指导实际工程的FRP筋与混凝土间的粘结应力计算表达式及相对粘结系数、锚固长度的设计建议；提出了FRP筋与混凝土间的粘结—滑移本构关系模型的建议；给出了FRP筋粘结应力—滑移曲线的有限元分析方法。 2、FRP筋非预应力混凝土梁变形及裂缝的计算与控制理论的研究 在国外大量研究成果的基础上，提出了FRP筋混凝土梁在荷载短期效应组合下的挠度计算方法；给出了FRP筋混凝土梁“有效惯性矩”的计算表达式；给出了FRP筋混凝土梁的挠度与受力筋应变之间的关系表达式；提出了不需进行挠度验算的FRP筋混凝土梁最大跨高比限值的计算公式，同时给出了基于变形控制的梁承载力设计方法，为工程应用提供了方便。 提出了FRP筋非预应力混凝土梁的最大裂缝宽度计算公式；给出了能够用于工程实际的FRP筋非预应力混凝土梁最大裂缝宽度限值及使用荷载作用下FRP筋的允许应变限值的取值建议；指出在进行FRP筋非预应力混凝土梁截面的配筋设

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 FRP筋的主要性能与特点
• 1.2 FRP筋在土木工程中的应用
• 1.3 FRP筋混凝土结构设计计算理论的研究现状
• 1.3.1 FRP筋与混凝土间粘结锚固性能的研究
• 1.3.2 FRP筋预应力混凝土构件锚具、夹具的研究
• 1.3.3 FRP筋混凝土受弯构件裂缝控制的研究
• 1.3.4 FRP混凝土构件抗弯、抗剪承载力的研究
• 1.3.5 FRP筋受弯构件的挠度及截面惯性矩计算的研究
• 1.3.6 FRP筋混凝土受弯构件延性性能的研究
• 1.3.7 FRP筋混凝土构件耐久性的研究
• 1.3.8 FRP预应力筋的传递长度
• 1.3.9 体外FRP预应力筋应用技术的研究
• 1.3.10 有关规范的编制进展
• 1.4 开展针对FRP筋混凝土梁受力性能及相关技术研究的意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 参考文献
• 第2章 FRP筋粘结性能的试验研究及有限元分析
• 2.1 简述
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 国内外研究状况
• 2.1.3 本文研究的主要内容
• 2.2 试验研究
• 2.2.1 试验介绍
• 2.2.1.1 试验设计
• 2.2.1.2 试验装置与量测内容
• 2.2.2 主要的试验结论
• 2.2.2.1 试件在混凝土介质中的受力过程及粘结应力—滑移曲线
• 2.2.2.2 试件在其它介质中的粘结情况
• 2.2.2.3 试件破坏形态
• 2.2.3 试验结果与分析
• 2.2.3.1 粘结滑移机理
• 2.2.3.2 CFRP筋与混凝土粘结性能的主要特点
• 2.3 设计建议
• 2.3.1 FRP筋平均粘结应力及锚固长度的设计计算建议
• 2.3.1.1 基本锚固长度及粘结强度的表达式
• 2.3.1.2 顶部筋修正系数
• 2.3.1.3 保护层修正系数
• 2.3.1.4 锚固长度的设计建议
• 2.3.2 FRP筋与混凝土粘结—滑移本构关系模型的设计建议
• 2.4 FRP筋粘结性能的有限元分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第3章 FRP筋非预应力混凝土梁变形及裂缝的计算与控制
• 3.1 简述
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 国内外的研究状况
• 3.1.2.1 变形计算与控制
• 3.1.2.2 裂缝计算与控制
• 3.1.3 本文研究的主要内容
• 3.2 CFRP筋非预应力混凝土梁受弯性能的试验研究
• 3.2.1 试验介绍
• 3.2.1.1 试件的设计及主要材料的性能
• 3.2.1.2 加载方案及测点布置
• 3.2.2 试验结果与分析
• 3.2.2.1 荷载—挠度关系
• 3.2.2.2 裂缝形态
• 3.2.2.3 各种因素对梁受力性能的影响
• 3.2.3 结论
• 3.3 FRP筋混凝土梁挠度计算与控制方法
• 3.3.1 挠度计算
• 3.3.2 不需作挠度验算的跨高比限值计算及基于变形的承载力设计
• 3.3.2.1 挠度与受力筋应变之间的关系
• 3.3.2.2 FRP筋混凝土梁跨高比限值计算及基于变形的承载力设计
• 3.4 FRP筋混凝土梁的裂缝计算与控制
• 3.4.1 FRP筋混凝土梁最大裂缝宽度计算方法
• 3.4.2 FRP筋混凝土梁的最大裂缝宽度限值
• 3.4.3 使用荷载作用下FRP筋应变限值的取值建议
• 3.5 理论值与试验值的对比
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第4章 FRP筋非预应力混凝土梁延性性能研究
• 4.1 简述
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 国内外的研究现状及分析
• 4.1.3 本文研究的主要内容
• 4.2 本文建议的FRP筋混凝土梁基于能量的延性指标
• 4.3 影响FRP筋混凝土梁延性性能的因素分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 部分预应力部分粘结CFRP筋预应力混凝土梁受力性能的试验研究
• 5.1 简述
• 5.1.1 引言
• 5.1.2 本文研究的主要内容
• 5.2 部分预应力部分粘结CFRP筋预应力混凝土梁的试验研究
• 5.2.1 FRP筋预应力锚具的研制
• 5.2.1.1 夹片式锚具的设计
• 5.2.1.2 灌浆式螺丝端杆锚具的设计
• 5.2.1.3 锚具静载试验
• 5.2.2 部分预应力部分粘结CFRP筋混凝土梁的试验方案
• 5.2.2.1 试验目的
• 5.2.2.2 试验设计
• 5.2.2.3 测量内容
• 5.2.2.4 预应力筋的张拉
• 5.2.3 试验结果与分析
• 5.2.3.1 试件的受力过程
• 5.2.3.2 试件的破坏形态
• 5.2.3.3 荷载-挠度特性
• 5.2.3.4 延性性能
• 5.2.3.5 截面的应变分布
• 5.2.3.6 混凝土荷载-应变特性
• 5.2.3.7 预应力钢筋荷载-应变特性
• 5.2.3.8 非预应力筋的荷载-应变特性
• 5.3 结论
• 参考文献
• 第6章 FRP筋预应力混凝土梁非线性有限元分析
• 6.1 引言
• 6.2 基于ADINA软件的部分预应力部分粘结CFRP筋混凝土梁有限元模拟
• 6.2.1 ADINA软件的选择
• 6.2.2 有限元模拟
• 6.2.2.1 有限元模型的建立
• 6.2.2.2 单元的选择
• 6.2.2.3 本构关系
• 6.2.2.4 刚性弹簧参数的定义
• 6.2.2.5 网格划分
• 6.2.2.6 非线性求解方法
• 6.2.2.7 影响程序收敛的问题
• 6.2.3 计算结果与试验结果的对比
• 6.3 有粘结FRP筋预应力混凝土梁的非线性全过程有限元分析
• 6.3.1 基本假定
• 6.3.2 全过程数值分析方法
• 6.3.2.1 非预应力FRP筋混凝土梁的数值分析方法
• 6.3.2.2 预应力FRP筋混凝土梁的数值分析方法
• 6.3.3 理论计算结果与试验结果的对比
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第7章 FRP筋预应力混凝土梁承载力计算理论与设计建议
• 7.1 国内外的研究状况
• 7.2 现有承载力计算方法的不足之处
• 7.3 FRP筋预应力混凝土梁承载力计算理论与分析
• 7.3.1 引言
• 7.3.2 本文推荐方法的计算步骤
• 7.3.2.1 确定裂缝的发生位置及路径
• 7.3.2.2 建立平衡条件
• 7.3.2.3 计算内力及荷载
• 7.3.2.4 确定破坏模式
• 7.3.2.5 混凝土梁强度的计算
• 7.3.3 电算程序的编制
• 7.4 FRP筋预应力混凝土梁的设计建议
• 7.4.1 FRP预应力筋的预应力损失
• 7.4.2 张拉控制应力限值
• 7.4.3 承载力设计方法
• 7.4.3.1 平衡配筋率
• 7.4.3.2 抗弯承载力设计
• 7.4.4 短期挠度计算
• 7.4.5 裂缝宽度及间距
• 7.5 计算值与试验值的对比
• 7.6 本章小结
• 参考文献
• 第8章 全文总结
• 8.1 本文主要研究结论和成果
• 8.2 本文的主要创新点
• 8.3 值得进一步研究的问题
• 8.4 展望
• 致谢
• 附录
• 附录一 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录二 攻读博士学位期间完成或在研的科研项目
• 附录三 攻读博士学位期间完成的其它相关研究工作