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为了满足桥梁、高层建筑和隧道加固补强之需要,纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)片材以其比强度高、比模量大、结构可设计以及加固后维护方便等诸多优点而受到国内外的重视。目前,FRP片材在混凝土结构加固中已得到广泛的应用,但对FRP加固钢—混凝土组合结构的研究很少,而且已有的研究集中在试验方面。
本文在国外多个试验研究的基础上,采用塑性理论以及非线性有限元分析方法,并结合试验结果对CFRP片材加固钢—混凝土组合梁的抗弯性能进行研究。提出了组合梁的抗弯承载力的计算方法,并探讨了CFRP片材厚度、弹性模量以及混凝土强度等参数的影响。具体研究内容和结论如下：
(1)针对CFRP片材拉断破坏和混凝土压碎破坏两种破坏类型,推导了CFRP片材加固钢—混凝土组合梁的塑性抗弯承载力以及所需CFRP片材截面面积的计算公式,并考虑了加固前负载和预应力对加固后承载力的影响。再结合国外的实验结果,对上述塑性抗弯承载力公式进行了验证。分析结果表明,无预应力CFRP片材加固组合梁的计算结果与试验结果吻合得较好,但预应力CFRP片材的计算结果误差较大。
(2)建立了非线性有限元模型对CFRP片材加固钢—混凝土组合梁的极限承载力进行了数值分析,并探讨了胶层和栓钉连接层的对计算结果的影响。通过对理论公式计算、有限元分析与实验结果的比较可知,采用考虑了连接层的有限元计算得到的抗弯极限承载力最接近实验结果,最大误差为2.5％。
(3)应用本文推导出的理论计算公式,对影响抗弯承载力的CFRP片材厚度、弹性模量以及混凝土强度等参数进行了分析。结果表明,使用弹性模量高、厚度大的CFRP片材加固的组合梁,承载力提高更大；采用高混凝土强度的梁,其极限抗弯承载力提高效果更明显。