A Ductile Hybrid Fiber Reinforced Polymer Tendon for Civil Engineering Applications.pdf

1、纖維增強(qiáng)樹(shù)脂(FRP)復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、適應(yīng)較寬的溫度環(huán)境，施工方便等優(yōu)點(diǎn)成為具有明顯優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)材料。FRP已被廣泛用于加固既有建筑和增強(qiáng)新建混凝土結(jié)構(gòu)。然而，有時(shí)采用FRP材料無(wú)法全面滿足結(jié)構(gòu)性能的要求。例如，采用高強(qiáng)度高彈性模量FRP材料，如碳纖維復(fù)合材料，因碳纖維復(fù)合材料極限應(yīng)變較小結(jié)構(gòu)延性可能難以滿足要求;同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料相比其他FRP材料價(jià)格較貴。相反，價(jià)格相對(duì)便宜的FRP材料如玻璃纖維復(fù)合材料，具有較大極限應(yīng)

2、變可以使結(jié)構(gòu)具有較大延性，但是由于彈性模量和蠕變性能相對(duì)較低，導(dǎo)致其在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)變形要求受到限制。
　　橋面板直接承受融冰鹽和極端天氣環(huán)境作用，是橋梁中最易腐蝕的構(gòu)件之一。采用FRP材料增強(qiáng)橋面板可以有效解決腐蝕問(wèn)題。近年來(lái)，玻璃纖維筋(GFRP)由于價(jià)格相對(duì)于其他種類FRP（碳纖維和芳綸纖維）較為便宜，被廣泛用做混凝土橋面板內(nèi)的增強(qiáng)材料。然而，由于GFRP復(fù)合材料剛度較低，與鋼筋混凝土構(gòu)件相比，GFRP增強(qiáng)混凝土構(gòu)件變

3、形和裂縫寬度較大，導(dǎo)致GFRP-混凝土構(gòu)件受正常使用階段需要維修控制。為了滿足使用要求，F(xiàn)RP增強(qiáng)混凝土橋面板設(shè)計(jì)一般需滿足與傳統(tǒng)鋼筋增強(qiáng)混凝土橋面板相同的剛度。然而，在現(xiàn)有文獻(xiàn)橋面板實(shí)驗(yàn)中，在剛度控制設(shè)計(jì)條件下，F(xiàn)RP增強(qiáng)板的承載力是設(shè)計(jì)所需承載力的3倍以上。這些結(jié)果反映了在FRP-混凝土橋面板設(shè)計(jì)中高強(qiáng)材料無(wú)法充分利用。
　　為了克服上述缺陷，提高各種FRP復(fù)合材料利用率，本文從兩個(gè)層次進(jìn)行了整合FRP材料優(yōu)點(diǎn)的研究設(shè)計(jì):混雜

4、FRP筋的性能和其性能迭代分析預(yù)測(cè)模型的研究;為了避免材料浪費(fèi)，進(jìn)行了采用預(yù)應(yīng)力混雜FRP筋對(duì)FRP-RC橋面板影響的研究。
　　首先，本文提出了通過(guò)不同類型的纖維混雜克服單一纖維的缺點(diǎn)，整合不同纖維優(yōu)勢(shì)并實(shí)現(xiàn)最佳的性價(jià)比的方法。此外，通過(guò)混雜，F(xiàn)RP復(fù)合材料的力學(xué)性能可針對(duì)特定的工程應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)混雜FRP筋的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析研究，然后對(duì)部分混雜FRP預(yù)應(yīng)力筋FRP-RC樓板的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。最后，對(duì)預(yù)應(yīng)力FRP-RC

5、橋面板進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;數(shù)值分析研究探討了部分預(yù)應(yīng)力FRP筋的混凝土橋面板在車輪集中荷載作用下宏觀和微觀性能。最后，進(jìn)行了全面的參數(shù)研究。
　　本文共分為六章。在第1章為本文研究?jī)?nèi)容介紹和文獻(xiàn)綜述。文獻(xiàn)綜述包括混雜FRP復(fù)合材料，F(xiàn)RP-RC橋面板和FPR網(wǎng)格研究。第2章介紹了一種考慮樹(shù)脂和混雜FRP纖維之間的界面應(yīng)力傳遞預(yù)測(cè)混雜FRP筋的拉伸性能的新方法。然后，作者利用斷裂力學(xué)的基本概念，推導(dǎo)出一個(gè)能夠預(yù)測(cè)混雜FRP的力學(xué)性能

6、的模型。在第3章，作者對(duì)玄武巖/碳混雜FRP筋和玻璃/碳纖維FRP筋的拉伸性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。確定了樹(shù)脂類型、纖維含量以及在橫截面纖維排列方式對(duì)筋材性能的影響。第4章研究了玄武巖/碳纖維復(fù)合筋橫向增強(qiáng)和預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)的足尺橋面板的性能。本研究旨在減少FRP-混凝土橋面板的FRP用量。研究共對(duì)七塊邊長(zhǎng)為2400mm和厚度為200 mm的正方形板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。根據(jù)加拿大公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范CSA-S6-06，設(shè)計(jì)了兩塊為非預(yù)應(yīng)力面板，一塊鋼筋混

7、凝土面板和一塊FRP-鋼筋混凝土面板作為控制試件。研究了三個(gè)主要變量:FRP的折減系數(shù)，預(yù)應(yīng)力水平和部分預(yù)應(yīng)力指標(biāo)。第5章主要是對(duì)部分預(yù)應(yīng)力FRP-RC橋面板性能的數(shù)值研究。本章的目的是探討預(yù)應(yīng)力FRP筋增強(qiáng)混凝土橋面板在車輪的集中荷載作用下的宏觀和微觀性能。數(shù)值模擬是基于之前七塊FRP增強(qiáng)混凝土足尺橋梁面板測(cè)試。有限元(FE)計(jì)算的鋼筋混凝土板受沖切荷載分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較?；谒Ｐ停M(jìn)行了普通和預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)混凝土橋面

8、板的參數(shù)研究?；谏鲜鲅芯恐饕@得以下結(jié)論:a）提出的模型能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)混雜FRP復(fù)合材料在纖維斷裂時(shí)荷載下降，破壞載荷和破壞應(yīng)變;b）基于一系列混雜FRP筋的試驗(yàn)，本研究提出了一種新的延性較好的玄武巖/碳纖維復(fù)合筋，具有3.61％的破壞應(yīng)變，比其偽屈服應(yīng)變高105％，同時(shí)破壞荷載是其偽屈服荷載的1.35倍;c）通過(guò)FRP預(yù)應(yīng)力板的合理設(shè)計(jì)，F(xiàn)RP折減系數(shù)為0.45的試件的開(kāi)裂荷載比FRP-RC控制板高73％，破壞荷載是設(shè)計(jì)荷載的2.6倍