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《中南大学》 2007年
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FRP加固负载混凝土梁的抗弯性能及剥离行为研究

贺学军  
【摘要】: FRP-混凝土界面的力学行为及剥离破坏是FRP加固技术应用的关键科学问题,目前有关的研究分析多以无初载加固梁为研究对象,甚少涉及到FRP抗弯加固负载梁的界面力学行为及剥离机理的研究。本文根据混凝土基本理论、非线性有限元分析和试验结果,对FRP加固负载混凝土梁的抗弯性能及剥离行为进行了较为系统的研究。提出了FRP加固负载混凝土梁滞后应变及弯矩特征值(即开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩)的计算公式。对片材端部混凝土保护层剥离和弯曲主裂缝处FRP剥离等两种常见的剥离破坏机理进行了深入分析,建立了负载加固梁界面应力分析模型,提出了相应的剥离破坏荷载的计算公式。对比分析表明,本文所建议的计算公式优于现有文献公式,与试验结果吻合良好。本文主要的研究成果有: (1)外贴CFRP片材(含布、板)抗弯加固足尺梁的试验结果表明:负载加固梁中FRP的名义拉应变(即滞后应变与实际应变之和)、受拉钢筋的平均拉应变和混凝土的平均压应变沿截面高度仍能满足平截面假定;端部设置U型FRP箍能有效降低片材端部界面应力集中的程度;钢筋屈服后裂缝处FRP拉应变的突然增大是导致该处FRP剥离的主要原因。 (2)基于现有方法计算误差波动较大的情形,系统考虑加固时原梁不同负载状态及混凝土非线性特征的影响,建立了负载加固梁中FRP滞后应变的计算方法。根据C语言编程的非线性全过程数值分析结果和试验结果,推导出了FRP加固负载梁截面弯矩特征值的计算公式,并系统分析了加固时负载状态对抗弯性能的影响。 (3)以胶层剪切滑移变形为基本参数,系统考虑混凝土梁、FRP及胶层性能对界面应力的影响,建立了弹性工作状态加固梁界面应力分析模型;定量分析了片材端部到支座的距离、粘结胶层和加固片材的弹性模量及厚度等参数对片材端部界面应力集中程度的影响。结合负载加固梁的截面变形特征,又进一步提出了负载加固梁片材端部及相邻稳定裂缝间界面应力的计算方法,具体给出了各种荷载类型作用下的计算表达式。同时,对预应力FRP加固梁在预应力放张以及在预应力和外载共同作用时的界面应力分布进行了理论研究。计算结果与有限元分析及试验结果吻合良好。 (4)在深入探讨FRP加固梁早期剥离机理的基础上,针对现有剥离荷载计算模型多以无初载加固梁为研究对象的现状,将剥离破坏时界面应力峰值与加固时的初始弯矩结合起来,分别建立了负载加固梁发生片材端部混凝土保护层剥离和弯曲主裂缝处FRP剥离破坏时的剥离荷载计算公式。通过国内外大量试验数据的对比分析表明,本文公式与试验结果吻合良好,且简捷实用,尤其适合工程实际应用。 (5)提出了FRP抗弯加固负载梁破坏模式的判别依据,并从加固材料选用、粘结锚固长度、附加锚固设置以及施工工艺等方面提出了切实可行的抗剥离措施,为安全、经济地使用FRP加固技术奠定基础。
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