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。碳纖維增強聚合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP)筋具有良好的抗腐蝕性、高抗拉強度、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)實意義和廣闊的應(yīng)用前景。 通過試驗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)力筋夾片式錨具的的力學分析、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋夾片式錨具的研制開發(fā)、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失計算分析、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研究、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁斜截面抗剪承載力計算分析、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁正截面抗彎疲勞性能試驗研究、CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁

3、撓度計算分析等八個方面。主要研究內(nèi)容和研究成果如下： 1.CFRP預(yù)應(yīng)力筋夾片式錨同裝置的自主研制開發(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筋在張拉和使用過程中錨固區(qū)域的過早失效，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。通過大量試

4、驗和計算分析，自主研制開發(fā)了輕巧靈活方便的CFRP預(yù)應(yīng)力筋夾片式錨固裝置。 2.預(yù)應(yīng)力CFRP筋夾片式錨固裝置的力學分析和試驗研究 通過對該CFRP預(yù)應(yīng)力筋夾片式錨同裝置的力學分析，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)；以及加長預(yù)應(yīng)力CFRP筋夾片式錨具的長度等相關(guān)結(jié)論。為預(yù)應(yīng)力CFRP筋夾片式錨具的研制試驗提供了理論依據(jù)，減少了預(yù)

5、應(yīng)力CFRP筋錨具研制過程中的盲目性。根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，推導得到了預(yù)應(yīng)力CFRP筋夾片式錨具的錨環(huán)強度校驗計算簡化公式。 3.體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋的預(yù)應(yīng)力損失計算分析 針對預(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)力損失計算公式，并與體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失計算的不同之處進行了比較。 4.CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗研究

6、 通過體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁正截面抗彎承載力試驗研究，表明CFRP筋體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受力過程和體外預(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??；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。 推導了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁正

7、截面抗彎承載力計算公式，按本文推導得到的理論計算公式，計算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研究 首次進行了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁斜截面抗剪承載能力試驗，試驗表明CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的剪切受力過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裂荷載隨著剪跨比的增大而逐步減小；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算模型，用該模型推導得到了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混

9、凝土梁抗剪極限承載能力計算公式，按此計算公式計算得到的試驗梁的抗剪極限承載能力理論值與試驗值吻合良好。 用極限平衡法推導了CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁的抗剪極限承載能力計算公式，并對該計算公式進行了簡化。用該簡化計算公式計算得到的CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土試驗梁的抗剪極限承載能力計算值與試驗值吻合良好。 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研究 通過CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁正截面抗彎疲勞試驗

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。 通過對疲勞損傷后的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算分析 根據(jù)力學虛功原理，推導了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)一個轉(zhuǎn)向裝置、沿梁跨徑方向設(shè)置兩個轉(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算公式，并提出了計算CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁長期撓度所要考慮的因素。