FRP筋混凝土梁正截面抗弯承载力设计研究

基于本课题组9根、国内外其他学者102根FRP筋混凝土梁的试验结果以及本课题组完成的38根FRP筋混凝土梁的有限元参数分析结果,对FRP筋混凝土梁的正截面抗弯承载力进行了较系统的研究.研究表明FRP筋混凝土梁的破坏模式有受拉破坏、平衡破坏和受压破坏三种.确定了FRP筋混凝土梁的最小配筋率以及配筋率与破坏模式的关系;给出了FRP筋"名义屈服强度"的计算公式,并较系统地提出了FRP筋混凝土梁正截面抗弯承载力的设计建议.与ACI 440.1R-01中的设计方法相比,基于该文设计建议的计算值与试验结果更为接近.     

FRP筋预应力混凝土梁抗弯性能研究进展

FRP筋预应力混凝土结构已成为国内外工程领域研究的重点，文章分别介绍了国内外体内有粘结、体内无粘结和体外无粘结FRP筋预应力混凝土梁抗弯性能研究的主要成果，并对今后拟开展的研究工作提出了建议。     

无粘结与有粘结预应力混凝土梁抗震性能的试验对比研究

基于四对无粘结预应力混凝土梁与有粘结预应力混凝土梁的低周反复加载试验,较为系统地研究了上述两种预应力混凝土梁的延性、耗能性、变形恢复能力及破坏特征等抗震性能。研究表明:无粘结预应力混凝土梁的延性和变形恢复能力优于有粘结预应力混凝土梁,其延性系数平均高出20%;有粘结预应力混凝土梁的耗能能力优于无粘结预应力混凝土梁,其等效粘滞系数平均高出29.2%;有粘结预应力混凝土梁的承载力略高于无粘结预应力混凝土梁,其承载力平均高出7.42%;研究成果为不同工程情况下预应力梁的设计与选用提供参考。     

FRP筋混凝土T形和矩形截面梁抗弯承载力计算方法

为建立纤维增强复合材料(fiber-reinforced polymer,FRP)筋混凝土T形和矩形截面梁抗弯承载力简化计算方法,根据平衡破坏状态下的截面分析,定义了等效FRP配筋率ρ_ef和相应的平衡配筋率ρ_{ef, b}。在此基础上,基于257根FRP筋混凝土梁试验结果的统计分析,改进了受拉破坏和受压破坏皆可能发生的过渡区范围(ρ_{ef, b} <ρ_ef≤1.5ρ_{ef, b})。编制了受拉破坏控制截面的非线性分析程序,考虑多个设计参数的影响,开展了25 344个截面的参数分析。通过对参数分析结果的多元回归分析,推导了受拉破坏控制截面的抗弯承载力简化计算公式。此外,基于截面内力平衡和协调条件,推导了受压破坏控制截面的抗弯承载力计算公式。以国内外257根梁抗弯承载力试验结果,验证了所提方法的适用性。     

非预应力筋对无粘结预应力混凝土梁性能影响分析

为跟踪无粘结预应力混凝土梁的全过程响应,建立了一种基于法平面弧长算法的有限元模型。该算法能较好地处理梁加载过程的响应变化,可穿越梁破坏前可能出现的极值点问题。设计了7根含有不同非预应力筋配筋率的无粘结预应力混凝土梁,利用提出的数值模型对这些梁进行非线性全过程分析。分析结果表明,没有配置受拉区非预应力筋的无粘结预应力混凝土梁的弯曲性能非常不理想,在梁内配置少量的受拉区非预应力筋,能极大改善梁的性能;随着非预应力筋配筋率的提高,无粘结部分预应力混凝土梁的开裂刚度和极限承载能力有显著提高,而后弹性挠度以及无粘结预应力筋极限应力则明显降低。     

高延性混凝土无腹筋梁受剪性能试验研究

提出采用高延性混凝土改善梁的抗剪性能和变形能力,设计了8个高延性混凝土梁和3个作为对比试件的混凝土梁,并通过静力试验研究不同剪跨比和配筋率高延性混凝土无腹筋梁的破坏形态和破坏机理。高延性混凝土无腹筋梁的剪切破坏形态有挤压破坏、剪压破坏、弯剪破坏和剪拉破坏。试验结果表明:高延性混凝土梁的剪切破坏均表现出一定的延性,与普通混凝土梁的脆性剪切破坏具有明显不同;高延性混凝土梁的剪切裂缝开展缓慢,说明高延性混凝土良好的拉伸应变硬化和多裂缝开展特性能够有效控制剪切裂缝的发展,防止混凝土压碎剥落,显著提高梁的抗剪性能和耐损伤能力;相比普通混凝土无腹筋梁,高延性混凝土无腹筋梁的受剪承载力和变形能力均有明显提高,表明采用高延性混凝土可以显著改善无腹筋梁的脆性剪切破坏模式;剪跨比和纵筋配筋率对高延性混凝土梁的剪切破坏形态和承载力影响较大,其受剪承载力随剪跨比的增大而降低,随配筋率的增大而有所提高。     

形状记忆合金混凝土梁力学性能试验研究

将超弹性形状记忆合金(简称SMA)绞线作为主筋埋入到混凝土梁中,制成SMA混凝土梁。采用跨中单点加载试验对其进行力学性能测试,并利用同尺寸、同配筋率的钢筋混凝土梁作为参照,比较了各试验梁的承载力、残余变形和残余裂缝,分析了SMA的预应力及SMA与混凝土的粘结情况对试验梁力学性能的影响。结果表明,超弹性SMA绞线可以减小混凝土梁的残余变形和残余裂缝,提高混凝土梁的自修复能力。与普通钢筋混凝土梁相比,开裂后SMA混凝土梁的承载力增加的幅度更大,且粘结情况对梁的承载力有较大的影响。此外,对于无粘结SMA混凝土梁,对SMA绞线施加预应力可以提高混凝土梁的承载力和耗能能力。     

CFRP筋增强ECC梁弯曲性能试验研究

为研究碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)筋/超高韧性纤维增强水泥基复合材料(Engineered cementitious composite,ECC)梁的抗弯性能,对3根CFRP筋/ECC梁、1根玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)筋/梁和1根CFRP筋混凝土梁进行了四点弯曲试验,分析了配筋率、纤维增强树脂复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)筋类型和基体类型对梁抗弯性能的影响。试验结果表明:CFRP筋/ECC梁与GFRP筋/ECC梁和CFRP筋混凝土梁类似,均经历了弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段;配筋率对CFRP筋/ECC梁的受弯性能影响较大。随着配筋率的增加,CFRP筋/ECC梁的承载能力不断提高,延性性能逐渐减弱;ECC材料优异的应变硬化能力和受压延性,使得CFRP筋/ECC梁的极限承载能力和变形能力均优于CFRP筋混凝土梁;由于ECC材料多裂缝开裂能力,CFRP筋/ECC梁开裂后,纵筋表面应变分布比CFRP筋混凝土梁更均匀; 由于聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)纤维的桥联作用,CFRP筋/ECC梁破坏时,其表面出现了大量的细密裂缝,且能保持较好的完整性和自复位能力;正常使用阶段,CFRP筋/ECC梁的最大弯曲裂缝宽度均小于CFRP筋混凝土梁。最后,根据试验结果,建立了基于等效应力图的CFRP筋/ECC梁弯曲承载力简化计算模型,确定模型中的相关系数。由简化模型计算的极限承载力与试验结果具有较好的相关性。      

BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力试验与理论

通过11根玄武岩纤维增强聚合物复合材料（BFRP）筋钢纤维高强混凝土梁的受弯性能试验,研究了钢纤维混凝土层厚度、钢纤维体积分数和BFRP筋配筋率对BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯破坏形态及其承载力的影响。结果表明,BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的破坏模式可分为受压破坏、受拉破坏和平衡破坏3种;钢纤维混凝土层厚度和钢纤维体积分数的变化对于BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力具有一定程度的影响,当BFRP筋配筋率为0.77%时,掺加体积分数为1.0%钢纤维的梁受弯承载力较无钢纤维梁提高了22.7%,在受拉区0.57倍截面高度内掺加1.0vol%钢纤维的梁受弯承载力达到全截面钢纤维混凝土梁受弯承载力的86.7%;增大BFRP筋配筋量可显著提高BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的受弯承载力,BFRP筋配筋率为1.65%的试验梁受弯承载力较配筋率为0.56%的试验梁提高了39.4%。针对不同的破坏模式,提出了BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力和平衡配筋率的计算方法,并结合安全配筋率的概念对试验梁的破坏模式进行了预测,试验结果与分析结果吻合良好。     

无粘结预应力CFRP筋钢纤维轻骨料混凝土梁受弯性能试验研究

建立无粘结预应力FRP筋张拉锚固体系,对8根以CFRP筋为非预应力筋的无粘结预应力CFRP筋轻骨料混凝土梁与1根普通混凝土对比试件进行两点对称加载,观察其破坏过程与破坏形态,分析了混凝土种类、预应力度和净跨长度对开裂弯矩、弯矩-跨中挠度曲线、裂缝宽度等受弯性能的影响.从等效轴向刚度思想出发,修正了现有的以钢筋为非预应力...     

不锈钢和CFRP混合配筋预应力混凝土梁的延性和变形性能

由于FRP(fiber-reinforcedpolymer/Plastics)材料直到拉断还表现出线弹性的力学性能,使得采用FRP配筋的混凝土结构延性较差,且已成为这类结构应用中人们所关注的一个主要问题。研究了不锈钢和CFRP(Carbonfiber-reinforcedpolymer/Plastics)混合配筋部分粘结、部分预应力混凝土梁的延性和变形特性。分析时假定这类梁的截面在加载过程中具有3折线的弯矩-曲率关系,而在卸载过程中截面的弯矩-曲率关系假定为线性,据此提出了这类梁受力全过程的非线性分析方法,并以试验结果验证了其适用性。基于能量耗散的观点引入了反映这类梁延性特性的延性指标,并利用所提分析方法对这类梁的延性进行了参数分析。分析结果表明:增加混凝土极限压应变和预应力束的无粘结部分长度可以有效地增加这类梁的变形性能,但对延性的增加却很有限,而且这两个参数对梁延性和变形性能的影响程度还强烈依赖于梁的破坏形态。     

Simulating RC beams with unbonded FRP and steel prestressing tendons

A partial interaction based analysis to simulate the behaviour of RC beams with prestressed unbonded tendons is proposed. Unlike bonded reinforcement, the strain developed in unbonded reinforcing tendons under bending is uniform along the length of the member and is thus member dependant. Conventional analysis techniques incorporate correction factors and empirical components in defining the strain developed in both the unbonded and bonded reinforcement. Being semi-empirical, the post-cracking analysis cannot directly simulate the effects of tension-stiffening on the untensioned bonded reinforcement. Accordingly, this paper presents a segmental moment–rotation approach for simulating the behaviour of RC beams with unbonded prestressed reinforcement, such that the mechanics of the approach removes the reliance on empiricisms in defining the reinforcement and unbonded tendon behaviour. Validated against experimental results, the approach is shown to accommodate concrete creep, shrinkage and reinforcement relaxation, thus enabling prestressing losses to be quantified.     

UPPC梁的开裂截面惯性矩及挠度计算研究

为满足无粘结部分预应力混凝土(UPPC)梁正常使用极限状态的设计要求, 必须合理估算使用荷载下构件的挠度。由于预应力筋与其周围混凝土没有粘结, 加之部分预应力混凝土梁的中性轴随外荷载而动, 开裂截面形心轴及开裂截面惯性矩也跟着变, 这给UPPC梁的挠度计算带来了困难。该文建立了一个UPPC梁的开裂截面惯性矩计算方法, 在此基础上, 可以按Branson方法很容易地计算出截面有效惯性矩。该有效惯性矩与按《混凝土设计规范》(GB50010-2010)方法所得的有效惯性矩较接近, 前者与后者之比在0.89~1.10。计算挠度与3个不同研究者的试验对比表明所建立方法是正确的并具有较广泛的适用性, 可用于无粘结预应力筋为纤维复合材料的混凝土梁, 而目前的混凝土结构设计规范方法则无法应用于此类构件。     

新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究

为研究新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁的受弯性能,以预应力、抗剪连接件数量和混凝土翼缘板有效宽度为参数,进行4根试件的受弯试验,结果表明:波纹钢能较好地与混凝土协同工作,有效加强钢-混界面,避免纵向滑移破坏的发生,但是波纹钢轴向刚度较小,几乎没有抗弯贡献;预应力和混凝土翼缘板对组合梁的抗弯贡献较大;抗剪连接件数量不足时组合梁发生纵向水平剪切破坏。在试验基础上进行有限元模型模拟计算,发现新型组合梁能充分发挥各组成部分间的组合作用,提高试件的抗弯承载力与延性;相比于直钢板组合梁,波纹钢组合梁有较好的刚度和较高的承载能力;随着混凝土强度提高,承载力略有提升;下翼缘钢板厚度增加,承载力显著提高,对刚度影响不大;刚度、承载力随预应力度提高而提高,但是延性变差。最后,建立了新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯承载力计算公式。     

Fatigue strengthening of damaged metallic beams using prestressed unbonded and bonded CFRP plates

Bonded fiber reinforced polymers (FRPs) reinforcement systems have traditionally been found to be an efficient method for improving the lifespan of fatigued metallic structures and have attracted much research attention. Nevertheless, the performance of a bonded FRP reinforcement system under fatigue loading is basically dependent on the FRP-to-metal bond behavior. In this paper, a prestressed unbonded reinforcement (PUR) system was developed. The proposed PUR system can be used as an alternative to bonded FRP reinforcement, particularly when there is concern about the effects of high ambient temperatures, moisture, water and fatigue loading on the FRP-to-metal bond behavior. The performance of cracked beams strengthened by the PUR system was compared with that of cracked beams strengthened by the prestressed bonded reinforcement (PBR) system. A theoretical method was developed to estimate the level of prestressing sufficient to arrest fatigue crack growth (FCG). Furthermore, the method was used to examine different passive, semi-active and active crack modes with a loaded, strengthened beam. The mechanism by which a prestressed FRP plate forms a compressive stress field at the vicinity of the crack tip was also examined. Finite element (FE) modeling was conducted and the results were compared with experimental results.     

高强钢绞线网——聚合物砂浆加固混凝土及预应力混凝土梁的抗弯性能试验研究

该文侧重研究了采用高强钢绞线网——聚合物砂浆加固技术三面加固普通钢筋混凝土(RC)梁和预应力混凝土(PRC)梁的抗弯性能.进行了6 片RC 梁及5 片PRC 梁的抗弯静载试验,探讨了不同初始损伤程度、有效预应力大小和加载方式等对高强钢绞线网——渗透性聚合物砂浆加固梁的抗弯性能影响.结果表明:采用高强钢绞线网——聚合物砂浆加固技术加固RC/PRC梁能够有效抑制裂缝的开展,能有效地提高RC/PRC 加固梁的抗弯承载能力和抗弯刚度;重复加载会导致加固梁刚度一定程度的退化,初始损伤程度大小不会显著改变加固后RC/PRC梁的抗弯承载力;该文研究对于大量既有RC/PRC梁的抗弯加固具有一定的参考价值.