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FRP/钢—混凝土组合简支梁桥试验、分析与设计方法

李耘宇  
【摘要】:近年来,钢材锈蚀和劣化问题严重影响着桥梁的正常使用和安全。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)因具有比强度高、比模量大、重量轻、耐腐蚀和抗疲劳等优点,在土木工程得到了广泛关注,但其弹性模量低和无延性等缺点同样不可回避。为了充分发挥FRP材料的优点,同时结合钢材弹性模量高和延性好的特点,本文提出了新型FRP/钢-混凝土组合结构——FRP/钢-混凝土组合梁和FRP/钢复合管约束混凝土柱。本文以单车道简支梁桥为背景,对FRP/钢复合板的拉伸性能、FRP/钢-混凝土组合梁受力性能与设计方法、FRP/钢复合开孔板抗剪性能、FRP/钢-混凝土组合梁的受弯性能、FRP/钢复合管约束混凝土柱抗震性能和FRP/钢-混凝土组合简支梁桥梁设计方法等方面进行了较系统的研究,主要研究内容如下:首先,制作了BFRP/钢复合板试件和CFRP/钢复合板试件,对其进行了单轴单调拉伸和单轴循环拉伸的试验研究,以考察两种FRP/钢复合板的单轴拉伸力学性能,同时对试验结果和理论预测值进行了对比分析。研究结果表明,两种FRP/钢复合板都有着稳定的二次刚度和优异的极限承载能力,且理论模型能很好地预测FRP/钢复合板的单轴拉伸力学性能。其次,阐述了在FRP-混凝土组合梁中附加钢板形成一种轻质、耐腐蚀且性价比较高的FRP/钢-混凝土组合梁的设计思路,详细介绍了该类型组合梁可能发生的各种失效模式及其变形和刚度的计算方法,提出了用于FRP/钢-混凝土组合梁初步设计的简化分析方法,并给出相应的设计步骤。第三,通过变化孔径、孔的个数、穿筋直径和种类等因素,对9个FRP/钢复合开孔板试件进行了推出试验,试验研究和得到了复合开孔板的抗剪强度和粘结-滑移关系,以及FRP/钢复合开孔板的抗剪承载能力公式和粘结-滑移本构模型。试验结果表明:FRP/钢复合开孔板可作为FRP/钢-混凝土组合梁中组合界面的有效连接方式。第四,对2根FRP-混凝土组合梁和10根FRP/钢-混凝土组合梁试件进行了四点弯曲试验,考虑了2种截面类型、3种钢板体积比和5种界面连接方式(GFRP/钢复合开孔板连接、钢栓钉连接、栓胶混合连接、FRP栓钉连接、栓石混合连接、横向拉结筋和钢螺栓混合连接)等因素,试验研究和得到了FRP/钢-混凝土组合梁试件的变形、强度、应变、失效模式等基本力学性能和极限破坏模式。研究表明:FRP/钢-混凝土组合梁有着良好的抗变形能力和极限承载能力,且5种界面连接方式都是可靠的。第五,通过变化FRP/钢复合套管中FRP的种类和层数,对FRP/钢复合管约束钢筋/型钢混凝土圆柱的抗震性能进行了试验研究。试验结果表明:附加FRP可大幅提升钢管约束混凝土柱的抗震性能;随着FRP/钢复合管中FRP层数的增多,组合柱的承载力、延性和耗能能力逐渐得到提高。第六,基于OpenSees计算平台,数值模拟了FRP/钢复合管约束钢筋混凝土圆柱的抗震性能并进行了参数分析。参数分析的结果表明:轴压比和剪跨比的增大会使柱的水平承载力有所提高而延性降低;钢管厚度与纵向配筋率的增加使得柱的水平承载能力和延性有微弱的提高:GFRP包裹层数越多,柱的水平承载力和延性越好,但随着层数增多,提高效率相对变低;GFRP包裹高度对柱的承载力和延性几乎没有影响。最后,以单车道简支梁桥为背景,阐述了FRP/钢-混凝土组合简支梁桥的设计荷载与设计准则,对该组合梁桥结构进行了初步概念设计;详细分析了FRP/钢-混凝土组合梁中的各项参数:组合梁下翼缘和腹板的钢板体积比、混凝土层厚度、FRP盖板厚度、桥面梁的个数;对FRP/钢复合管约束混凝土桥墩进行了初步设计,得到了全桥的最终设计方案,并总结了相应的设计方法和步骤。


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