基于可靠度的GFRP筋混凝土受弯梁设计方法研究

论文摘要

FRP筋作为一种新型复合材料具有轻质高强、耐腐蚀等优点,FRP筋混凝土结构能够很好的解决传统钢筋混凝土结构存在的钢筋锈蚀和耐久性不足等问题；但同时由于FRP筋相对较低的弹性模量,FRP筋混凝土结构在正常使用过程中将不可避免的出现裂缝过宽和挠度过大的情况。因此,不仅要对其进行承载力极限状态的研究,更要重视对其在正常使用极限状态下的相关研究。在这一领域的研究和应用国外起步较早,并出台了一些相关规范或设计指南；国内的研究和应用相对滞后,于03年和06年分别颁布了碳纤维加固修复混凝土结构的技术规程和纤维增强复合材料土木工程应用技术规范（征求意见稿）。但无论国外还是国内设计规范,其设计方法都是建立在对相应钢筋混凝土结构规范修订的基础上,虽然充分考虑了强度储备,但却缺乏严谨的理论分析和足够的实验支撑,是否经济也值得商榷；如能辅之以系统的可靠度评估,并在此基础上提出相关设计建议,无疑对于规范的完善将大有裨益。本文对美国最新FRP筋混凝土结构设计规范-ACI440.1R-06在受弯承载极限状态和正常使用极限状态的设计条款分别进行可靠度评估。采用JC法求出了在受弯承载力极限状态下,受拉破坏的平均可靠指标为5.6,受压破坏的平均可靠指标为4.5；在正常使用极限状态下,挠度控制的平均可靠指标为0.75,裂缝宽度控制的平均可靠指标为0.57。同时考察了各设计变量大小值以及荷载效应比、配筋率、计算模式不定性系数、GFRP筋的变异性和限值等参数对不同极限状态下可靠指标的影响；定义了可逆系数并结合截面非线性数值分析方法研究了截面卸载刚度的变化规律,发现在正常使用极限状态下,可逆系数接近于1.0,表明截面力学性能近于完全可逆,且可逆系数随着不同荷载效应比的增大而增大。在受拉破坏4.0,受压破坏3.5的受弯承载力目标可靠度水平下,结合抗力折减系数与可靠指标的关系,本文建议将抗力折减系数调整为0.8；根据ISO2394：1998建议的0-1.5的使用极限状态可靠指标,参照挠度限值与可靠指标的关系图并结合构件自身特点,本文建议将GFRP筋混凝土受弯构件的挠度限值取为l/120；在充分考虑GFRP筋混凝土受弯构件的特点、人们感观可接受度并结合可靠度评估结果的基础上,本文赞同目前0.7mm裂缝宽度的限值水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 FRP筋简介
• 1.2.1 FRP筋的生产工艺及种类
• 1.2.2 FRP筋的物理力学性能
• 1.2.3 FRP筋的应用现状
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 FRP筋混凝土受弯构件承载力研究现状
• 1.3.2 FRP筋混凝土受弯构件挠度研究现状
• 1.3.3 FRP筋混凝土受弯构件裂缝宽度研究现状
• 1.3.4 FRP筋混凝土构件可靠度研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 受弯承载力极限状态可靠度研究
• 2.1 引言
• 2.2 ACI440.1R-06设计条款简介
• 2.2.1 条款中的几个假设
• 2.2.2 FRP筋强度的确定
• 2.2.3 破坏模式及其判断标准
• 2.2.4 FRP筋混凝土受弯构件的承载力计算公式
• 2.2.5 抗力折减系数
• 2.3 可靠度计算方法
• 2.3.1 验算点法
• 2.3.2 当量正态化
• 2.4 采用JC法计算GFRP筋混凝土梁受弯承载力可靠指标
• 2.4.1 受弯承载力极限状态功能函数的建立
• 2.4.2 各变量的统计参数
• 2.5 可靠度评估
• 2.5.1 设计变量大小值对可靠指标的影响
• 2.5.2 荷载效应比与相对配筋率对可靠指标的影响
• 2.5.3 构件几何尺寸对可靠指标的影响
• E对可靠指标的影响'>2.5.4 环境影响系数C_E对可靠指标的影响
• 2.5.5 混凝土强度对可靠指标的影响
• 2.5.6 计算模式不定性系数对可靠指标的影响
• 2.5.7 GFRP筋变异性对可靠指标的影响
• 2.5.8 抗力折减系数对可靠指标的影响
• 2.6 理论破坏模式与实际破坏模式不一致区域的讨论
• 2.6.1 实际破坏模式与理论破坏模式不一致区域的确定
• 2.6.2 GFRP筋变异性对不一致区域范围及相应发生概率的影响
• cu变异性的影响'>2.6.3 混凝土极限压应变ε_cu变异性的影响
• 2.7 GFRP筋混凝土梁最小配筋率问题的相关研究
• 2.7.1 最小配筋率的定义及表达式
• cr与M'_cr'>2.7.2 开裂弯矩M_cr与M'_cr
• 2.7.3 实际过程GFRP筋拉断发生在混凝土开裂前后的概率统计
• n>M_cr和M_n>M'_cr概率的影响'>2.7.4 GFRP筋变异性对M_n>M_cr和M_n>M'_cr概率的影响
• 2.8 本章小结
• 第三章 使用极限状态挠度控制可靠度研究
• 3.1 引言
• 3.2 设计条款简介
• 3.2.1 GFRP筋混凝土受弯梁挠度计算公式
• 3.3 可靠度计算方法
• 3.4 JC法计算挠度控制的可靠指标
• 3.4.1 功能函数的建立
• 3.4.2 设计变量的统计参数
• 3.5 可靠度评估
• 3.5.1 设计变量大小值对可靠度指标的影响
• 3.5.2 荷载效应比与相对配筋率对可靠指标的影响
• 3.5.3 混凝土强度对可靠指标的影响
• 3.5.4 构件几何尺寸和跨高比对可靠度指标的影响
• 3.5.5 挠度计算模式不定性系数对可靠指标的影响
• 3.5.6 GFRP筋变异性对可靠指标的影响
• 3.6 正常使用极限状态目标可靠指标的讨论
• n与正常使用极限荷载M_s'>3.6.1 受弯承载力极限荷载M_n与正常使用极限荷载M_s
• 3.6.2 混凝土和GFRP筋本构模型及卸载准则
• 3.6.3 GFRP筋混凝土梁加卸载全过程截面分析M-φ曲线
• 3.6.4 GFRP筋混凝土梁加卸载全过程荷载-挠度曲线
• 0的讨论'>3.6.5 对可逆系数K及使用极限状态目标可靠指标β⁰的讨论
• 3.7 本章小结
• 第四章 使用极限状态裂缝宽度控制可靠度研究
• 4.1 引言
• 4.2 设计条款简介
• 4.3 可靠度计算方法
• 4.4 JC法计算裂缝宽度可靠指标
• 4.4.1 功能函数的建立
• 4.4.2 设计变量的统计参数
• 4.5 可靠度评估
• 4.5.1 设计变量大小值对可靠指标的影响
• 4.5.2 荷载效应比和相对配筋率对可靠指标的影响
• 4.5.3 构件几何尺寸对可靠指标的影响
• 4.5.4 混凝土弹性模量对可靠指标的影响
• 4.5.5 计算模式不定性系数对可靠指标的影响
• 4.5.6 GFRP筋弹性模量对可靠指标的影响
• 4.5.7 粘结系数对可靠指标的影响
• 4.5.8 最大裂缝宽度限值对可靠度指标的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 设计建议
• 5.1 引言
• 5.2 对于GFRP筋混凝土梁抗力折减系数取值的设计建议
• 5.2.1 设计规范和部分学者对于抗力折减系数取值的建议
• 5.2.2 GFRP筋混凝土受弯承载力极限状态目标可靠度水平的确定
• 5.2.3 提出对于抗力折减系数取值的建议
• 5.2.4 新旧抗力折减系数下可靠度水平及各变量影响图的对比
• 5.2.5 新抗力折减系数下的可靠度评估
• 5.3 对于GFRP筋混凝土梁挠度及裂缝宽度限值的设计建议
• 5.3.1 使用极限状态下GFRP筋混凝土梁目标可靠度指标
• 5.3.2 正常使用极限状态GFRP筋混凝土梁挠度限值的确定
• 5.3.3 新挠度限值下的可靠度评估
• 5.3.4 正常使用极限状态GFRP筋混凝土梁裂缝宽度限值的确定
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 试验数据统计表
• 附录B 主要计算程序
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢