【摘 要】
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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer简称FRP)筋具有质量轻、强度高、耐腐蚀等特点,将之代替钢筋用于混凝土结构中可解决锈蚀问题。但是,FRP筋具有弹性模量低、弹脆性等缺点,当其与混凝土结合使用时,易引起工程结构出现裂缝宽、延性差等问题。工程水泥基复合材料(Engineered Cementitiuos Composites简称ECC)作为一种新型水泥基材料,具有优异的
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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer简称FRP)筋具有质量轻、强度高、耐腐蚀等特点,将之代替钢筋用于混凝土结构中可解决锈蚀问题。但是,FRP筋具有弹性模量低、弹脆性等缺点,当其与混凝土结合使用时,易引起工程结构出现裂缝宽、延性差等问题。工程水泥基复合材料(Engineered Cementitiuos Composites简称ECC)作为一种新型水泥基材料,具有优异的裂缝控制能力和较高的延性性能。将FRP筋与ECC结合使用,可以形成具备耐久性好、延性高及裂缝控制能力优异的FRP筋ECC结构。为建立适用于FRP筋ECC结构的理论体系和研究方法,本文通过四点弯试验研究了FRP筋ECC梁的受弯性能;在试验的基础上建立了FRP筋ECC梁的理论计算方法;通过数值模拟与试验结果的对比分析,验证了数值模拟的适用性和可行性。具体研究内容包括以下几个方面:(1)通过试验研究了ECC在单轴拉伸和单轴压缩应力状态下的力学响应,拟合了适用于ECC材料的本构模型;测试了FRP筋的拉伸性能,拟合了适用于FRP筋材料的本构模型。(2)采用四点弯试验研究了基体类型、筋材种类、配筋率等对FRP筋ECC梁受弯性能的影响。结果表明:FRP筋ECC梁的破坏模式可分为受拉区FRP筋被拉断的少筋破坏和受压区边缘ECC被压溃的超筋破坏。FRP筋混凝土梁发生超筋破坏时,受压区混凝土崩碎,而ECC梁破坏后整体性较好;FRP筋ECC梁的极限承载力及极限挠度均由截面刚度决定,增大配筋率和提高纵筋弹性模量均可以增大截面的刚度、提高梁的承载力,减少梁的极限挠度。相同配筋率和相同抗压强度条件下,FRP筋ECC梁的承载力及极限挠度均比FRP筋混凝土梁高19.62%-31.35%;FRP筋与ECC组合使用可以使FRP筋的筋材利用率提高10%;FRP筋ECC梁破坏时表面出现细密裂缝,而混凝土梁表面的裂缝数量少且宽。相同荷载等级下裂缝宽度比混凝土梁小30%以上,FRP筋ECC梁具有良好的裂缝控制能力。通过接触式测量与非接触式测量发现,试验梁跨中截面应变沿梁高呈线性分布,满足平截面假定,随着荷载水平的提高,中性层逐渐上移;与接触测量方法相比,非接触式测量具有较好的精度及完整性,有助于理解梁的损伤失效机理。(3)基于试验结果及所建立的材料本构模型,提出了适用于FRP筋ECC梁的承载力、变形、裂缝宽度理论计算方法,计算结果与试验吻合较好;在现有方法基础上,结合ECC材料的力学特性分析了FRP筋ECC梁的延性性能,提出了FRP筋ECC梁延性评估方法。(4)采用ABAQUS有限元软件对不考虑粘结滑移的FRP筋ECC梁受弯性能进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合良好,验证了本文提出的本构模型的正确性和适用性,为FRP筋ECC梁的后续研究提供了参考。
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