结合压缩薄膜效应对GFRP筋混凝土桥面板的研究

论文摘要

近几年由于钢筋锈蚀所导致的桥梁面板结构功能退化的问题变得日益严重,而采用玻璃纤维增强复合材料（GFRP）代替钢筋被证实为一种有效解决途径。然而传统的设计方法夸大了GFRP筋材的弹性模量低和弹脆性的影响,导致了现有的GFRP筋混凝土桥梁面板的建造成本较高,制约了这一具有良好耐久性能桥梁结构的推广。然而在过去的研究中表明,支撑梁、横隔梁和外围开裂板块等结构构件的共同作用导致混凝土桥梁面板受到了侧向约束的作用。在侧向约束刚度的作用下,混凝土桥梁面板内发生了压缩薄膜效应（Compressive Membrane Action—CMA）。这一结构效应能够有效地提高桥梁面板的承载性能。如今的桥梁工程中,钢梁支撑混凝土板组合结构已经被广泛采用。因此本文将采用这一组合结构作为基本的分析模型,并采用GFRP筋作为板内的配筋材料。结合板内的CMA对这一钢混结构中的GFRP筋混凝土桥梁面板结构的工作性能进行分析,主要进行如下几个方面的工作:（1）对1:3比例缩小的钢混桥梁面板进行静力加载试验,测得结构在各个加载阶段的应变、变形等数据,考察结构的基本力学性能,并分析结构参数（支撑梁尺寸、混凝土强度、配筋率及配筋类型）变化对结构性能的影响。（2）分析桥面板在轮胎荷载作用下的工作性能,例如结构的挠度和侧向位移以及裂缝扩展和破坏形态,揭示压缩薄膜效应在整个受力过程中的变化以及对结构性能的影响。（3）采用有限元软件ABAQUS对试验模型进行了数值分析。通过比较数值分析结果与试验数据的吻合程度,较为充分的说明了所建立的数值模型的准确性。基于准确校核试验数据的基础上进一步分析结构的破坏机理和应力-应变的分布规律。同时展开参数分析,研究各个结构参数变化对钢混GFRP筋混凝土桥梁面板工作性能的影响。（4）采用修正后的考虑了CMA的桥梁面板的理论算法对试验模型进行了承载力计算。通过与现行各国设计方法计算结果的比较可以发现,结合了压缩薄膜效应的计算方法能够更为准确地反映出该结构类型的承载性能。本文采用了结构试验和数值模拟的方法分析了钢混桥梁结构中GFRP筋混凝土面板结构中CMA的影响,阐明这一结构效应的工作机制,分析了这一非金属筋材混凝土结构在静力荷载作用下的工作特点。完整地阐述了GFRP筋混凝土桥梁面板在整体钢混桥梁结构中的结构性能和承载能力。本文的研究成果能够在控制建造成本和保证结构承载能力的同时,有效地提高桥梁面板结构的耐久性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 FRP的特点
• 1.2.1 FRP材料的提出
• 1.2.2 FRP材料的特点
• 1.3 FRP筋混凝土结构的国内外发展现状
• 1.4 压缩薄膜效应及其相关的研究发展状况
• 1.4.1 压缩薄膜效应
• 1.4.2 压缩薄膜效应的研究发展状况
• 1.4.3 结合压缩薄膜效应对GFRP筋的研究
• 1.5 本文的主要研究内容与研究方法
• 1.5.1 研究方法
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 试验介绍
• 2.1 概述
• 2.2 试验模型
• 2.3 试验材料的选用及性能指标
• 2.3.1 筋材的选用
• 2.3.2 混凝土材料及配合比的测定
• 2.3.3 支撑钢梁的选用
• 2.3.4 GFRP筋与混凝土之间的粘结
• 2.3.5 剪力键的选用
• 2.4 模型制作
• 2.5 试验量测内容及方法
• 2.5.1 试验的主要量测内容
• 2.5.2 量测各项内容的方法
• 2.6 试验方案
• 2.6.1 试验前准备和数据采集
• 2.6.2 试验过程
• 第3章 试验结果与分析
• 3.1 静力加载试验结果
• 3.2 裂缝形态
• 3.3 位移
• 3.3.1 混凝土强度对挠度的影响
• 3.3.2 支撑梁对挠度的影响
• 3.3.3 筋材种类对挠度的影响
• 3.3.4 配筋率对挠度的影响
• 3.4 应变分析
• 3.4.1 混凝土的应变分析
• 3.4.2 支撑梁和横隔梁的应变分析
• 3.4.3 筋材中的应变分析
• 3.5 承载力分析.
• 3.6 本章小结
• 第4章 非线性有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 本构模型
• 4.2.1 混凝土材料模型
• 4.2.2 ABAQUS中的混凝土材料模型
• 4.2.3 材料模型的选择
• 4.2.4 混凝土损伤塑性模型参数选择
• 4.3 有限元数值模型的建立
• 4.3.1 单元选取
• 4.3.2 筋材材料模型
• 4.3.3 支撑梁单元的选取及其与混凝土板之间的链接
• 4.3.4 边界条件
• 4.3.5 求解方法的选择
• 4.3.6 施加荷载及破坏准则的定义
• 4.4 有限元结果分析
• 4.4.1 极限承载力分析
• 4.4.2 挠度分析
• 4.4.3 应变分析
• 4.4.4 应力分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 数值模拟结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 结构的破坏机理
• 5.3 结构的应力分析
• 5.4 压缩薄膜力的计算
• 5.5 结构参数对结构性能的影响
• 5.5.1 支撑梁尺寸对结构性能的影响
• 5.5.2 板的跨高比对结构性能的影响
• 5.5.3 配筋方式对结构性能的影响
• 5.5.4 混凝土强度对结构性能的影响
• 5.5.5 横隔梁对结构性能的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 理论计算
• 6.1 引言
• 6.2 现有的承载力计算公式
• 6.2.1 英国桥梁设计规范
• 6.2.2 美国混凝土设计规范
• 6.2.3 欧洲结构设计规范
• 6.2.4 中国结构设计规范
• 6.2.5 FRP混凝土结构设计规范
• 6.2.6 试验模型理论计算
• 6.3 计算方法
• 6.3.1 概述
• 6.3.2 计算方法的历史背景
• 6.3.3 侧向刚度
• 6.3.4 薄膜压缩效应区域有效宽度
• 6.3.5 承载力计算方法
• 6.3.6 理论公式推导
• 6.4 试验模型理论计算
• 6.5 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢