CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕嚴(yán)重影響著鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。碳纖維增強(qiáng)聚合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱CFRP)筋具有良好的抗腐蝕性、高抗拉強(qiáng)度、低密度、非磁性、良好的抗疲勞性能和低松弛，它已作為替代傳統(tǒng)鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的潛在材料之一，特別是在體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的體外預(yù)應(yīng)力鋼筋，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。 通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析的方法，研究

2、了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的承載能力和變形性能。主要研究工作包括CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋?yuàn)A片式錨具的的力學(xué)分析、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋?yuàn)A片式錨具的研制開(kāi)發(fā)、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算分析、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗(yàn)研究、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁斜截面抗剪承載力試驗(yàn)研究、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁斜截面抗剪承載力計(jì)算分析、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁正截面抗彎疲勞性能試驗(yàn)研究、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁

3、撓度計(jì)算分析等八個(gè)方面。主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下： 1.CFRP預(yù)應(yīng)力筋?yuàn)A片式錨同裝置的自主研制開(kāi)發(fā) 為增大預(yù)應(yīng)力CFRP筋與夾片之間的接觸面積并減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而減小夾片對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP筋的橫向擠壓應(yīng)力，確保避免預(yù)應(yīng)力CFRP筋在張拉和使用過(guò)程中錨固區(qū)域的過(guò)早失效，提出了在預(yù)應(yīng)力CFRP筋與夾片之間設(shè)置軟金屬(銅、鋁、鉛或鋅)層過(guò)渡的設(shè)想。為避免“切口效應(yīng)”，夾片錐角與錨環(huán)內(nèi)錐角之間要有合適的錐角差。通過(guò)大量試

4、驗(yàn)和計(jì)算分析，自主研制開(kāi)發(fā)了輕巧靈活方便的CFRP預(yù)應(yīng)力筋?yuàn)A片式錨固裝置。 2.預(yù)應(yīng)力CFRP筋?yuàn)A片式錨固裝置的力學(xué)分析和試驗(yàn)研究 通過(guò)對(duì)該CFRP預(yù)應(yīng)力筋?yuàn)A片式錨同裝置的力學(xué)分析，指出了錨環(huán)的內(nèi)錐角應(yīng)滿足一定的條件：應(yīng)加大夾片與CFRP筋之間的摩擦系數(shù)，同時(shí)盡可能地減小夾片外表面與錨環(huán)內(nèi)表面之間的摩擦系數(shù)；以及加長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力CFRP筋?yuàn)A片式錨具的長(zhǎng)度等相關(guān)結(jié)論。為預(yù)應(yīng)力CFRP筋?yuàn)A片式錨具的研制試驗(yàn)提供了理論依據(jù)，減少了預(yù)

5、應(yīng)力CFRP筋錨具研制過(guò)程中的盲目性。根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，推導(dǎo)得到了預(yù)應(yīng)力CFRP筋?yuàn)A片式錨具的錨環(huán)強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算簡(jiǎn)化公式。 3.體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算分析 針對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP筋與預(yù)應(yīng)力鋼筋在彈性模量、線膨脹系數(shù)等性能上的差異，系統(tǒng)地提出了體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式，并與體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算的不同之處進(jìn)行了比較。 4.CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗(yàn)研究

6、 通過(guò)體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁正截面抗彎承載力試驗(yàn)研究，表明CFRP筋體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受力過(guò)程和體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁相類似；體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋曲線布置混凝土梁的開(kāi)裂荷載和正截面極限承載力比體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋直線布置混凝土梁要大，而跨中極限撓度值則要比體外筋直線布置的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁小；CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的跨中極限撓度值要比體外筋同樣布置的體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁要大。 推導(dǎo)了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁正

7、截面抗彎承載力計(jì)算公式，按本文推導(dǎo)得到的理論計(jì)算公式，計(jì)算CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁極限承載力理論值與試驗(yàn)值吻合良好。 5.CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁斜截面抗剪承載能力試驗(yàn)研究 首次進(jìn)行了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁斜截面抗剪承載能力試驗(yàn)，試驗(yàn)表明CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的剪切受力過(guò)程和鋼筋混凝土梁相類似；CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的抗剪承載力和開(kāi)裂荷載隨著剪跨比的增大而逐步減??；在剪跨比相同情況下，體外預(yù)應(yīng)力

8、CFRP筋曲線布置混凝土梁的開(kāi)裂荷載和斜截面抗剪承載力比體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋直線布置的混凝土梁要大；CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁剪切破壞與CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁彎曲破壞相比，跨中極限撓度較小，延性較差，尤其是發(fā)生斜拉破壞的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁尤為明顯。 6.CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁斜截面抗剪承載能力計(jì)算分析 建立了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的桁架拱抗剪計(jì)算模型，用該模型推導(dǎo)得到了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混

9、凝土梁抗剪極限承載能力計(jì)算公式，按此計(jì)算公式計(jì)算得到的試驗(yàn)梁的抗剪極限承載能力理論值與試驗(yàn)值吻合良好。 用極限平衡法推導(dǎo)了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的抗剪極限承載能力計(jì)算公式，并對(duì)該計(jì)算公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化。用該簡(jiǎn)化計(jì)算公式計(jì)算得到的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土試驗(yàn)梁的抗剪極限承載能力計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好。 7.CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁正截面抗彎疲勞性能試驗(yàn)研究 通過(guò)CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁正截面抗彎疲勞試驗(yàn)

10、研究，表明CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁具有良好的抗疲勞性能，同時(shí)也表明體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋及其夾片式錨固裝置也具有較好的抗疲勞性能。 通過(guò)對(duì)疲勞損傷后的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁靜力正截面抗彎試驗(yàn)研究，表明疲勞損傷后的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁靜力正截面抗彎承載力與未經(jīng)疲勞試驗(yàn)的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁幾乎相同；疲勞損傷后的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的剛度有所退化，在同樣靜力荷載作用下，其撓度要較朱經(jīng)疲勞后的CFRP體

11、外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁大，并且體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋的應(yīng)力增量也比未經(jīng)疲勞荷載循環(huán)后的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁要大。 8.CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁撓度計(jì)算分析 根據(jù)力學(xué)虛功原理，推導(dǎo)了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁在不設(shè)轉(zhuǎn)向裝置、跨中設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)向裝置、沿梁跨徑方向設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)向裝置等三種情況下，CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁在不同受力階段的短期撓度計(jì)算公式，并提出了計(jì)算CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁長(zhǎng)期撓度所要考慮的因素。