表面嵌入式纤维复合筋加固混凝土桥面板工作性能研究

发布时间：2017-09-18 08:31

  本文关键词：表面嵌入式纤维复合筋加固混凝土桥面板工作性能研究

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【摘要】：近些年随着交通运输量快速增长,以及公路车辆运载能力的提高,导致依据上世纪规范进行设计的桥梁逐渐无法满足现在交通运输的要求。受到道路除冰盐渗透腐蚀以及长期暴露在恶劣环境下使得桥面板钢筋严重腐蚀,工作性能下降。采用纤维复合材料(Fiber Reinforced Polymer-FRP)加固受损桥面是一种提高结构工作性能的有效方法。但传统外贴加固方法施工工序复杂,加固材料受到外界因素作用易造成结构二次损伤且容易发生剥离破坏等问题。相对于外贴FRP加固技术,表层嵌贴(Near-surface-mounted—NSM)FRP筋加固法具有工作量更小、与加固构件粘结效果更好、不易受到外界干扰等优点。已有研究表明,常见的梁板式桥面结构受到支撑梁、横隔梁和加载区外围板块等构件侧向约束的作用,面板内发生压缩薄膜效应。该结构效应对桥面结构工作性能有着显著影响。本文将以表层嵌贴FRP筋加固传统梁板式桥面板作为分析模型,通过试验、有限元和理论分析等方法,研究压缩薄膜效应及NSM加固方法对桥面板工作性能的作用。主要进行了以下几个方面的工作:(1)表面嵌贴FRP筋-混凝土粘结滑移性能及NSM FRP筋加固弯曲构件工作性能研究:对嵌入式加固法进行粘结试验,研究该加固方法的粘结破坏模式及嵌入式加固材料对其影响。采用BFRP、CFRP和GFRP三种类型筋材嵌入式加固适筋梁,对比三种筋材加固梁抗弯承载力、破坏模式以及与加固梁的粘结效果,为后续加固桥面板试验奠定基础。(2)NSM FRP筋加固混凝土桥面结构工作性能试验研究:采用嵌入式加固传统桥梁面板,本次研究建立了两组1:3缩尺桥面结构,分别采用工字钢梁和混凝土梁作为支撑构件。在第一组试验中,研究加固率改变对板承载性能的影响,改变支撑梁尺寸以分析侧向约束改变对加固桥面工作性能的影响;第二组试验将重点分析加固筋材类型变化对面板工作性能的影响。在两组试验中研究横向嵌入式筋材与纵向外贴片材共同加固桥面板的加固效果。分析桥面板在轮胎荷载下的结构性能,对比板底挠度、支撑梁侧向挠度、裂缝开展、破坏模式、钢筋与FRP筋应变,揭示板内压缩薄膜效应和加固FRP筋在加载过程中的变化,讨论各因素对结构性能影响。(3)NSM FRP筋加固混凝土桥面结构工作性能有限元仿真:采用有限元软件ABAQUS模拟试验模型,对比有限元结果与试验数据,验证本次研究建立有限元模型的准确性,为类似嵌入式加固桥面板试件的模拟提供参考。基于有限元模拟的准确性,提取桥面板内应力分布,证明了板内压缩薄膜效应的存在,并对比不同试件的压缩薄膜效应有效宽度的变化。(4)NSM FRP筋加固混凝土桥面板承载力理论预测模型研究:通过对比现有FRP加固承载力理论预测方法计算结果与试验结果发现:现有计算理论没有考虑压缩薄膜效应的作用,严重低估嵌入式加固桥面板承载力。引入ACI440.2-08的嵌入式加固梁抗弯承载力计算方法,对结合压缩薄膜效应桥面板承载力计算方法进行修改,提出嵌入式加固桥面板承载力计算方法,计算结果与试验承载力吻合良好。在此基础上,对可能影响桥面板的各因素进行分析,提出在嵌入式加固桥面板设计时应考虑压缩薄膜效应对承载性能的作用,分析加固面板配筋率和加固面板材料强度的影响,确定合理的筋材加固率与加固筋材类型。
【关键词】：嵌入式加固 纤维复合筋 混凝土桥面板 压缩薄膜效应
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U443.31;U445.72
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 FRP材料加固桥面板研究现状15-24
• 1.2.1 FRP材料特点15-16
• 1.2.2 传统FRP材料加固方法研究现状与应用16-19
• 1.2.2.1 外贴片材加固16-17
• 1.2.2.2 体外预应力加固17-18
• 1.2.2.3 格栅加固18-19
• 1.2.2.4 存在的问题19
• 1.2.3 表层嵌贴FRP加固方法研究现状与应用19-24
• 1.2.3.1 表层嵌贴FRP法来源与特点19-20
• 1.2.3.2 表层嵌贴FRP加固法早期应用20
• 1.2.3.3 粘结滑移关系20-21
• 1.2.3.4 表层嵌贴FRP加固法研究进展21-24
• 1.3 加固桥面板承载力计算方法研究进展24-26
• 1.4 本文主要的研究内容与研究方法26-28
• 1.4.1 研究方法26
• 1.4.2 研究内容26-28
• 第二章 试验介绍28-46
• 2.1 概述28
• 2.2 前期试验介绍28-30
• 2.2.1 粘结试验28-29
• 2.2.2 嵌入式加固梁试验29-30
• 2.3 嵌入式加固桥面板试验方案30-45
• 2.3.1 桥面板试验模型30-33
• 2.3.1.1 钢混面板模型尺寸30-31
• 2.3.1.2 支撑钢梁的选用31-33
• 2.3.1.3 混凝土支撑梁桥面板模型33
• 2.3.2 筋材布置与测量方案33-38
• 2.3.2.1 桥面板钢筋布置与应变测点34-35
• 2.3.2.2 加固FRP筋布置与应变测点35-36
• 2.3.2.3 混凝土与钢梁应变片测点布置36-37
• 2.3.2.4 挠度测点布置37-38
• 2.3.3 试验材料选用及性能指标38-41
• 2.3.3.1 筋材材料选用与性能指标38-39
• 2.3.3.2 混凝土配合比与材料性能39-41
• 2.3.4 试验模型制作41-44
• 2.3.4.1 桥面板试件制作41-42
• 2.3.4.2 FRP筋嵌入加固42-43
• 2.3.4.3 双向加固桥面板43-44
• 2.3.5 试验加载与测量44-45
• 2.3.5.1 加载装置44-45
• 2.3.5.2 试验过程45
• 2.4 本章小结45-46
• 第三章 试验结果与分析46-82
• 3.1 前期试验结果46-49
• 3.1.1 粘结试验结果46-47
• 3.1.2 嵌入式抗弯加固梁试验结果47-49
• 3.2 嵌入式加固桥面板试验结果49-50
• 3.3 桥面板裂缝形态50-56
• 3.3.1 板顶面裂缝50-53
• 3.3.2 板底面裂缝53-56
• 3.4 挠度分析56-68
• 3.4.1 加固率对试件挠度影响60-63
• 3.4.1.1 板底挠度60-62
• 3.4.1.2 支撑梁挠度62-63
• 3.4.2 支撑梁对试件挠度影响63-66
• 3.4.2.1 板底挠度63-65
• 3.4.2.2 支撑梁挠度65-66
• 3.4.3 不同FRP筋对试件挠度影响66-68
• 3.4.3.1 板底挠度66-68
• 3.4.3.2 支撑梁挠度68
• 3.5 应变分析68-80
• 3.5.1 混凝土板应变分析68-72
• 3.5.2 钢筋应变分析72-77
• 3.5.3 FRP筋应变分析77-80
• 3.6 本章小结80-82
• 第四章 非线性有限元分析82-107
• 4.1 引言82
• 4.2 材料的本构关系82-89
• 4.2.1 混凝土本构关系82-84
• 4.2.2 本文所用混凝土本构关系84-87
• 4.2.2.1 损伤模型应力应变曲线84-86
• 4.2.2.2 损伤因子86-87
• 4.2.3 混凝土损伤塑性模型参数选择87-89
• 4.2.3.1 膨胀角 ψ 与流动偏心参数87-88
• 4.2.3.2 σb0/σc0、K与粘滞系数 υ88-89
• 4.2.4 筋材本构模型89
• 4.3 有限元模型建立89-92
• 4.3.1 分析方法89-90
• 4.3.2 单元选择、边界条件与接触90-91
• 4.3.3 破坏准则91-92
• 4.4 计算结果分析92-102
• 4.4.1 结构极限承载力对比92
• 4.4.2 挠度对比92-97
• 4.4.3 应变对比97-98
• 4.4.4 应力与破坏模式对比98-102
• 4.5 计算结果应力分析102-106
• 4.5.1 板内应力分析102-105
• 4.5.2 压缩薄膜效应有效宽度105-106
• 4.6 本章小结106-107
• 第五章 理论计算107-135
• 5.1 引言107
• 5.2 现有加固构件承载力计算方法107-115
• 5.2.1 ACI440.2R-08嵌入式加固梁抗弯承载力计算方法107-111
• 5.2.2 外贴片材加固桥面板冲切承载力计算111-115
• 5.3 本文计算方法115-125
• 5.3.1 概述115
• 5.3.2 历史背景115-116
• 5.3.3 板侧向约束刚度116-118
• 5.3.4 压缩薄膜区有效宽度118-119
• 5.3.5 承载力计算公式119-122
• 5.3.6 嵌入式加固面板承载力计算流程122-124
• 5.3.7 计算结果与试验对比124-125
• 5.4 参数分析125-133
• 5.4.1 混凝土强度126-127
• 5.4.2 配筋率127-128
• 5.4.3 加固率128-129
• 5.4.4 加固筋材弹模129-131
• 5.4.5 侧向刚度131-132
• 5.4.6 跨高比132-133
• 5.5 本章小结133-135
• 结论与展望135
• 结论135-136
• 展望136-138
• 参考文献138-147
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果147-148
• 致谢148-150

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