FRP型材-混凝土組合梁受剪性能與工藝改進(jìn)的試驗(yàn)和理論研究.pdf

1、FRP型材-混凝土組合梁將FRP材料用作主承力構(gòu)件，可充分發(fā)揮FRP復(fù)合材料的高抗拉強(qiáng)度。界面縱向抗剪和FRP腹板抗剪失效是國內(nèi)外大量試驗(yàn)中最常出現(xiàn)的兩種破壞模式，這也成為FRP型材·混凝土組合梁設(shè)計(jì)的主要控制因素。本文針對性地提出了界面和腹板抗剪性能提高的改進(jìn)工藝，并進(jìn)行了32個基本材性試件、9個推出試件、20個直剪試件、4個二次復(fù)合FRP型材梁以及8個大尺寸FRP型材-混凝土組合梁的模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究揭示了FRP型材-混凝土組合

2、梁受力和變形的一些規(guī)律，并提出了相應(yīng)計(jì)算方法，為這一新型結(jié)構(gòu)形式工程應(yīng)用提供了一定的依據(jù)。論文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)組合梁界面剪力連接的工藝改進(jìn)與抗剪試驗(yàn)研究
　　鑒于FRP型材抗剪與局部抗壓強(qiáng)度低，且不具可焊性，故不宜直接采用栓釘?shù)刃问竭B接件，本文對穿孔FRP連接件（Pouched FRP Connector，簡稱PFC）進(jìn)行了改進(jìn)，另外還設(shè)計(jì)了1種新型界面連接方式:正交穿孔FRP型材連接件(Orthogonal

3、Pouched FRP Connector，簡稱OPFC)，以增強(qiáng)界面抗滑移和抗掀起能力并提高組合梁整體性。
　　進(jìn)行了2個高強(qiáng)螺栓、3個改進(jìn)的PFC、4個OPFC連接件的靜力推出對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明破壞的機(jī)理有兩種:螺栓孔洞對FRP纖維的截斷使得破壞發(fā)生在孔洞連線上，PFC和OPFC與主梁，連接的小螺栓易剪切破壞。PFC和OPFC承載能力為高強(qiáng)螺栓60％時，其抗滑移剛度可達(dá)高強(qiáng)螺栓近10倍。
　　建立了FRP型材-混凝土

4、組合梁剪力連接件承載力計(jì)算公式，并對9個推出試件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好?；谠囼?yàn)的荷載-滑移曲線，給出了連接件和螺栓的抗滑移剛度建議取值。
　　(2)提高FRP型材梁腹板抗剪性能的改進(jìn)工藝與試驗(yàn)研究
　　拉擠成型FRP型材腹板纖維鋪設(shè)的單向性致使其縱向抗剪承載能力普遍極低，為改善這一缺點(diǎn)，提出了一種基于拉擠工藝的FRP型材二次成型技術(shù)，即在FRP型材腹板間附加手糊經(jīng)緯向編織纖維布增強(qiáng)夾層，形成二次成型FRP型材

5、梁。
　　進(jìn)行了12個拉擠構(gòu)件和8個二次成型試件的直剪對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:拉擠FRP為脆性的直剪破壞，二次成型FRP中新增夾層和原拉擠部分共同工作，使得剪切應(yīng)力能夠重分布，二次復(fù)合FRP型材承載力達(dá)到了拉擠FRP的1.5倍，變形能力達(dá)到了2.8倍。
　　基于層合板理論，將各向異性的層合板轉(zhuǎn)化為等效的正交異性材料，提出了二次成型工字形FRP型材的腹板剛度的計(jì)算方法，并對8個二次成型試件進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好

6、。根據(jù)復(fù)合材料的最小切應(yīng)變失效準(zhǔn)則，建立了二次成型FRP型材梁承載能力計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好。
　　結(jié)合二次成型腹板剪切破壞與變形特點(diǎn)，對其安全儲備指標(biāo)進(jìn)行了探討，對兩類FRP型材的安全儲備指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明二次成型FRP的剪切安全儲備指標(biāo)可達(dá)到拉擠型材的3倍以上。
　　(3)基于改進(jìn)工藝的FRP型材-混凝土組合梁大尺寸模型試驗(yàn)研究
　　為將改進(jìn)工藝在組合梁中予以應(yīng)用，并評價新工藝對FRP型材-混凝

7、土組合梁界面和腹板抗剪性能的改善效果，進(jìn)行了4個2m跨徑、3個4m跨徑、1根6m跨徑的FRP型材-混凝土組合梁單調(diào)靜力加載模型試驗(yàn)，研究主要參數(shù)為剪力連接方式和剪跨比。試驗(yàn)的主要結(jié)論如下:
　　同等荷載水平下，采用改進(jìn)PFC連接件的組合梁界面滑移量為螺栓連接件的20％以下，界面初始粘結(jié)力為螺栓連接件的2.25倍，混凝土頂板和FRP底部應(yīng)變僅為螺栓的45％左右。說明改進(jìn)PFC連接件組合效應(yīng)優(yōu)于螺栓連接件。
　　從腹板開裂到結(jié)構(gòu)

8、受剪失效，外荷載增加可達(dá)約25％，表明二次成型FRP型材組合梁剪應(yīng)力沿梁高重分布較充分，剪切破壞表現(xiàn)出一定延性。由于剪切模量較低，F(xiàn)RP底板剪力滯現(xiàn)象較突出，試驗(yàn)得到的剪力滯后系數(shù)達(dá)到可達(dá)1.4。
　　(4)基于大尺寸模型試驗(yàn)的FRP型材-混凝土組合梁計(jì)算方法研究
　　大尺寸FRP型材-混凝土組合梁模型試驗(yàn)結(jié)果表明，該新型結(jié)構(gòu)形式在界面滑移效應(yīng)和剪切承載力2個方面具有突出特征。本文針對這2個方面進(jìn)行了理論研究并建立了相應(yīng)計(jì)算

9、方法。
　　(1) FRP和混凝土界面掀起和滑移使平截面假定不再成立，忽略界面滑移會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏不安全，本文提出了雙折線的FRP型材-組合梁滑移理論模型，并基于此模型提出了考慮滑移的抗彎計(jì)算方法;考慮了FRP腹板的剪切變形對撓度的影響，對組合梁撓度計(jì)算方法進(jìn)行了修正。
　　(2)試驗(yàn)表明FRP型材-混凝士組合梁剪切破時，混凝土翼緣板承擔(dān)的剪力達(dá)40％，基于疊加原理，建立了FRP型材和混凝土翼緣板在抗剪承載力上的組合作用計(jì)算