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纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer,FRP)以其比强度高、比模量大、耐腐蚀、抗疲劳等特性而受到土木工程界的日益关注,近年来被广泛地用于城市基础设施中以解决日益严重的钢材锈蚀问题。然而,纯FRP结构却存在初次投入大、刚度低、脆性破坏、强度利用率低等缺点。为了充分发挥各种材料的优势和解决上述问题,FRP-混凝土组合结构被认为是一种最有效的组合形式。
基于上述思想,本文提出一种具有良好的耐久性能和受力性能的混杂纤维增强聚合物(Hybrid Fiber Reinforced Ploymer,混杂FRP)与钢筋混凝土组合梁,并对其受弯性能进行了深入的研究,主要内容如下:
首先,对本文试验所用材料的力学性能进行了试验研究,主要包括CFRP和BFRP单向拉伸性能、环氧树脂的拉伸与压缩性能、环氧树脂与混凝土的正拉粘结性能、钢筋的拉伸性能和混凝土的压缩性能,为混杂FRP-RC组合梁的设计与分析提供基础。
根据本文材性试验结果和已有的材料本构模型,对混杂FRP-RC组合梁的抗弯性能进行了全过程分析,得到混杂FRP-RC组合梁的弯矩曲率关系,以及开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩;然后对混杂FRP-RC组合梁在混凝土开裂到钢筋屈服阶段和钢筋屈服到混杂FRP拉断阶段的刚度进行了理论分析,得到了两个阶段的刚度计算公式,试验结果表明,采用本文公式计算的刚度值与试验值误差较小,混杂FRP-RC组合梁具有稳定而可设计的二次刚度(即屈服后刚度)。
提出了基于抗弯性能全过程分析结果和基于刚度分析结果的组合梁变形计算方法,得到了变形计算表达式;对混杂FRP-RC组合梁的各种破坏模式进行了分析,得到了相应的承载力计算方法。
对混杂FRP的混杂效应进行了理论分析,得到了混杂效应系数预测公式;基于混合律和本文材性试验结果对CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)和BFRP(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)进行了混杂设计,确定了三种用于试验的混杂比。
按照钢筋与混杂FRP受力比例大致相等的思路对混杂FRP-RC组合梁进行了截面设计,并对混杂FRP和混凝土的组合界面粘结方式进行了设计,选用了以湿粘结方式为主的四种组合界面粘结方式;根据设计结果进行了混杂FRP-RC组合梁制作。
对1根钢筋混凝土对比梁和11根混杂FRP-RC组合梁进行了抗弯性能试验研究,对混杂FRP-RC组合梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载、混凝土开裂到受拉钢筋屈服阶段和受拉钢筋屈服到混杂FRP拉断阶段的刚度、组合梁的延性、以及增强材料的荷载-应变关系进行了分析,试验结果表明,增加了混杂FRP作为增强材料的混杂FRP-RC组合梁的极限承载力大大提高,并具有良好而稳定的二次刚度,以及较好的延性性能;将混杂FRP-RC组合梁上述参数的理论分析结果与试验值进行比较,两者误差较小,表明理论分析是正确可行的。
根据抗弯性能试验结果,提出了两种混杂效应系数,分别为由应变片实测应变值计算得到的泪杂效应系数和由组合梁极限荷载反推得到的混杂效应系数;对两种混杂效应系数进行了统计分析,得到了其回归公式。