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近年来,纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称FRP)以其高强、轻质、耐腐蚀等优点,开始在土木与建筑工程结构中得到应用。结构工程中应用FRP的产品形式主要有:片材、棒材、网格材、型材及FRP组合板等。在结构加固领域,由于FRP板力学性能稳定、利用效率高、施工简便、耐久性及抗疲劳性能优异等优点使得各国学者陆续开展了FRP板材加同结构(主要包括混凝土结构和钢结构)的试验研究。目前碳纤维(CFRP)板加固结构的理论已基本成熟,但其在实际工程中的应用还非常少,最主要的原因是CFRP板价格非常昂贵。这对一般工程结构的加固来说是不可接受的,因此难以在土木工程领域得到大面积的推广和普及。另外,尽管CFRP板加固混凝土梁能有效提高梁的极限承载力和刚度,但CFRP板本身为线弹性材料(这也是纤维材料的共同特点),用其加同混凝土结构会降低延性,故不能很好地满足结构的延性要求。
鉴于此,本文提出了一种新型的复合板材-铜丝-连续纤维复合板(SFCP)。钢丝与纤维增强复合材料(FRP)的复合可以扬长避短,因为:FRP具有强度高、弹模低、延性差、耐久性好、重量轻等特点,而钢丝具有强度低、弹模高、延性好、耐久性差、重量重等特点,两者互补性较强,两者复合后的钢丝一连续纤维复合板(SFCP)有望具备高强度、高弹模、高韧性、耐腐蚀、低成本等综合性能优异的新型结构材料。基于以上思想,本文对钢丝-连续纤维复合板(SFCP)及其增强混凝土结构性能开展了相关研究。其中包括SFCP的手工制作上艺、SFCP力学性能的试验研究和理论分析、SFCP增强混凝土结构性能的试验研究和分析。
本文首先开发了一套手工制备SFCP的装置,然后以此为基础提出了手糊成型法制作SFCP的工艺并探索出钢丝与纤维各种不同的复合方式,参考现有的玻璃纤维板拉挤成型技术提出了拉挤成型工艺制备SFCP的构想与方法。
对手工制备的SFCP进行单向拉伸试验研究并对其在单向拉伸作用下的强度、刚度、应力-应变关系等性能进行深入研究。最后,基于组成材料的本构关系,通过复合法则,对SFCP的单向拉伸性能进行了理论预测并给出理论计算模型,并与试验结果进行比较。
进行SFCP外贴加固钢筋混凝土梁的抗弯性能的试验研究,对其荷载-位移关系、破坏模式、承载力、刚度、延性、裂缝形态与分布等性能进行较为深入的讨论和分析。同时,与碳纤维材料加固混凝土梁进行了比较,证明用SFCP外贴加同钢筋混凝土梁比用碳纤维材料加固具有更高的性价比。
基于给定的材料本构关系模型和计算假定,根据力的平衡方程,推导出各种不同(弯曲)破坏类型下的受弯承载力,并与试验结果进行比较。最后提出了SFCP抗弯加同混凝土梁的设计步骤。