（工程力学专业论文）预应力CFRP布加固钢箱梁与混凝土组合梁力学性能.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ne n g i n e e r i n gm e c h a n i c s m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fs t e e l - c o n c r e t e c o m p o s i t e b e a m s s t r e n g t h e n e dw i t h p r e s t r e s s i n gc f r p s h e e t s b yw a n g d e - x u a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i a n gl i p r o f e s s o r w a n gl i a n g u a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y m a y 2 0 0 9 本人声明，所呈交 中取得的研究成果除加 发表或撰写过的研究成 的材料。与我一同工作 中作了明确的说明并表 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：乏能导师签名：绿彩 签字醐以川 婵嗍：沙 - i i 东北大学博士学位论文摘要 预应力c f r p 布加固钢箱梁与混凝土组合梁力学性能 摘要 纤维增强复合材料( f ib e rr ein f o r c e dp o ly m e r ，f r p ) 具有强度高、质量 轻、抗疲劳、耐腐蚀及施工方便等优点。已经在土木工程领域很多工程中得 到应用，特别在加固混凝土结构中显示独特的优越性。国内外研究表明，利 用f r p 布加固钢筋混凝土和钢结构受弯构件时，f r p 的高强度特点在混凝土受 拉钢筋或钢结构受拉边缘屈服以前所起的作用是有限的，仅在混凝土梁中受 拉钢筋屈服或钢结构受拉区屈服后才得以发挥。针对这一问题，将传统预应 力技术与f r p j j h 固技术相结合，能更进一步提高结构的承载力和刚度，减小 组合梁的变形，在受拉区域引入压应力而减小了疲劳破坏，并使f r p 布抗拉 强度得以充分应用，材料使用更加充分。目前，对利用c f r p 布加固梁式钢结 构和钢与混凝土组合梁的研究尚比较少见，为此，作者研究了预应力c f r p 布 加固钢箱梁与混凝土组合梁的力学性能研究。 在分析国内外研究c f r p 加固混凝土结构和钢结构的基础上，提出利用 预应力c f r p 布加固钢箱梁与混凝土组合梁的方法，建立施加预应力阶段的 c f r p 布与钢梁界面粘结力计算公式，计算主要影响因素对界面剪力的影响及 界面剪力沿组合梁分布；分析预应力c f r p 布钢箱梁与混凝土组合梁的工作 性能，建立施加预应力阶段、施工阶段及消压阶段的弹性受力分析模型，建 立预应力c f r p 布钢箱梁与混凝土简支组合梁的弹性抗弯承载力和极限承载 力的计算公式； 利用弹性理论，建立预应力c f r p 布钢箱梁与混凝土板界面滑移计算公式， 分别利用附加变形法和弹性理论建立了组合梁的变形计算公式，分别利用弹 力理论和变分理论建立了组合界面剪力计算公式，并计算分析连接刚度、荷 载作用大小及预应力c f r p 布内力增量等对组合梁的界面滑移、组合梁变形 及组合界面剪力的影响； 通过分析混凝土徐变理论及计算方法，根据预应力c f r p 布钢箱梁与混 凝土组合梁的结构特点，建立了考虑混凝土徐变效应影响下的组合梁的内 力、变形、滑移等计算模型，探讨了混凝土徐变效应对组合梁内力及变形等 影响，以及相对湿度、混凝土强度等级等设计参数对组合梁的内力、变形及 界面滑移的影响； 采用合成法，编制了预应力c f r p 布钢箱梁与混凝土组合梁非线性全过程 分析程序，计算得到了组合梁的弯矩( 荷载) 一曲率( 变形) 关系曲线，计 一i i i - 东北大学博士学位论文 摘要 算分析混凝土强度、含钢率、预应力等对组合梁的变形和承载力的影响； 利用a n s y s 计算分析程序对预应力c f r p 布钢箱梁与混凝土组合梁的整个 受力过程进行数值模拟。计算分析了施加预应力阶段、混凝土开裂、钢梁下 翼缘屈服、极限状态时的混凝土和钢梁的应力与应变状态，以及组合梁的变 形与滑移等发展规律等。 关键词：预应力；c f r p 布；钢箱梁与混凝土组合梁；力学性能；徐变效应； 非线性分析 i v 东北大学博士学位论文 a b s n 佻t m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fs t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t e b e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hp r e s t r e s s i n gc f r ps h e e t s a bs t r a c t f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( f r p ) h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a s h i g h l o a d 。c a r r y i n gc a p a c i t y ，q u a l i t yl i g h t ，h i g hb e a r i n gf a t i g u ea n db e a r i n gc o r r o s i o n e t e t h e s u p e r i o rp h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ff r pm a k et h e m e x c e l l e n tc a n d i d a t e sf o r r e p a i ra n dr e t r o f i to fc o n c r e t es t r u c t u r e r e s e a r c h r e s u l t ss h o wt h a tt h el o a d c a r r y i n gc a p a c i t yo fs t e e ls t r u c t u r eb e a ma n dc o n c r e t e b e a mh a v e n o tb e e ne n h a n c e db e f o r es t e e lb a ry i e l di nc o n c r e t eo rt h es t e e l y i e l d i n gu s i n gf r ps h e e t ss t r e n g t h e n i n g ，a n dt h eb e s ta c t i o ni st h a ts t e e lb a r y i e l di nc o n c r e t eo rt h es t e e ly i e l d i n g a p p l y i n gp r e s t r e s s i n gf r ps h e e t st os t e e l a n dc o n c r e t eb e a mc a ne n l a r g ee l a s t i cr a n g eo fm a t e r i a l s ，i n c r e a s e b e a r i n g c a p a c i t ya n df a t i g u er e s i s t a n c e ，d e c r e a s ed e f o r m a t i o n ，a n dr e d u c ee n g i n e e r i n g c o s t n o w ，t h er e s e a r c hr e p o r th a sn o ta p p e a r st ot h es t e e la n dc o n c r e t e c o m p o s i t eb e a mu s i n gp r e s t r e s s i n gc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( c f r p ) s h e e ts t r e n g t h e n i n gy e t ，t h e o r ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o m b i n e d i nt h i sp a p e rt os t u d yt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so ft h es t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t e b e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hp r e s t r e s s i n gc f r ps h e e t s t h em a i nc o n t e n t sa r e ： t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a so fi n t e r f a c i a ls h e a rs t r e s sa r et h e r e f o r ed e r i v e do n t h eb a s i so ft h e t h e o r y o f e l a s t i c i t y a n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co f s t r e n g t h e n i n gs t e e lb o x c o n c r e t ec o m p o s i t eg i r d e r sw i t hp r e s t r e s s i n gc f r p s h e e t s t h es t r e s ss t a t u so fe a c he l a s t i c s t a g eo fp r e s t r e s s i n gc f r ps h e e t c o m p o s i t eb e a m sa r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a so fe l a s t i c b e n d i n gs t r e n g t ha n du l t i m a t eb e n d i n gs t r e n g t ha r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n db e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ei n t e r f a c es l i p d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fi n t e r n a lf o r c ei n c r e m e n tw e r e e s t a b l i s h e db a s e do n e l a s t i c i t yt h e o r y ，a n dt h ei n t e r f a c e s l i p c a l c u l a t i o n f o r m u l a sw e r e p r e s e n t e d t h ed e f o r m a t i o n d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s t h a t c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fi n t e r f a c es l i pa n di n t e r n a lf o r c ei n c r e m e n to fc f r p s h e e t sw e r ee s t a b l i s h e db a s e do n e l a s t i c i t yt h e o r y ，a n dt h ed e f o r m a t i o n c a l c u l a t i o nf o r m u l a sw e r e p r e s e n t e d s h e a rf o r c ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n s v 一 c o n s i d e r i n g t h ee f f e c to fi n t e r f a c es l i pa n d i n t e r n a lf o r c ei n c r e m e n to f p r e s t r e s s i n gc a b l ew e r ee s t a b l i s h e db a s e do ne l a s t i c i t yt h e o r y ，a n ds h e a rf o r c e c a l c u l a t i o nf o r m u l a sw e r ep r e s e n t e d t h ee f f e c to fc o n n e c t i n gr i g i d i t y ，t h e l o a d i n g a n dt h ei n t e r n a lf o r c ei n c r e m e n to fp r e s t r e s s i n gc a b l e a r ea n a l y s e dt o t h ei n t e r f a c es l i p ，d e f o r m a t i o na n ds h e a rf o r c eo fc o m p o s i t eg i r d e r s t h ec r e e pe f f e c t sa n a l y s i sm o d e l so ft h es t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m s w i t h p r e s t r e s s i n g c f r p s h e e t sa r e e s t a b l i s h e d b y u s eo f a g e a d j u s t e d e f f e c t i v e m o d u l u sm e t h o da n dt i m e d e p e n d e n tc r e e ps u p e r p o s i t i o n m e t h o d f u r t h e r m o r e ，t h ec a l c u l a t i o np r o c e d u r e sc o n s i d e r i n gc r e e pe f f e c t s a r e d e v e l o p e d ；t h e s e c t i o ni n t e r n a lf o r c e ，d e f o r m a t i o n a n di n t e r f a c es l i p o f c o m p o s i t eb e a m sc o n s i d e r i n gc r e e pe f f e c t s a r es t u d i e d ，a n dt h ee f f e c t so fm a i n p a r a m e t e r st ot h e ma r ed i s c u s s e dt o o n o n l i n e a rf u l l r a n g ea n a l y t i cp r o g r a m so ft h es t e e l 。c o n c r e t ec o m p o s i t e b e a m sw i t hp r e s t r e s s i n gc f r ps h e e ta r ed e v e l o p e db yu s eo fr i b b o nm e t h o d ，t h e e f f e c t so fm a i n p a r a m e t e r s t om o m e n t c u r v a t u r er e l a t i o n s h i p c u r v e s a r e d i s c u s s e d t h ee f f e c to fc o n c r e t es t r e n g t h ，s t e e lp e r c e n t a g e ，a n dt h ep r e s t r e s s i n g f o r c ea r ea n a l y z e dt ot h em o m e n t c u r v a t u r eo fl o a d d e f o r m a t i o no fc o m p o s i t e g i r d e r s t h ew h o l el o a d b e a r i n gp r o c e s so ft h es t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m sw i t h p r e s t r e s s i n gc f r ps h e e t si s s i m u l a t e db yu s eo fa n s y sp r o c e d u r e t h es t r e s s a n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n o fc o n c r e t ea n ds t e e la r ea n a l y z e da f t e ra p p l y i n g p r e s t r e s s i n gf o r c e ，s t e e ly i e l d a n du l t i m a t es t a t u s ，t h ed e v e l o p m e n tr u l e so f d e f o r m a t i o na n dt h ei n t e r f a c es l i po fc o m p o s i t eb e a m sa r ea n a l y z e dt o o k e yw o r d s ：p r e s t r e s s i n gf o e c e ；c f r ps h e e t s ；c o m p o s i t e o fs t e e l 。c o n c r e t e ； m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ；n o n l i n e a ra n a l y s i s ；c r e e pe f f e c t v i 东北大学博士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第l 章绪论1 1 1 研究意义1 1 2f r p 的基本性能与特点。1 3 1 3 研究现状7 1 4 存在问题1 0 1 5 论文研究内容1 1 1 6 本章小结1 2 第2 章预应力c f r p 布加固组合梁弹性受力分析与承载力计算13 2 1 预应力c f r p 布( 板) 加固方法13 2 2 初步设计18 2 3 截面几何特征2 0 2 4 预应力阶段c f r p 布与钢梁的界面粘结力2 3 2 5 预应力c f r p 布简支组合梁2 6 2 5 1 弹性受力分析7 4 。8 们2 6 2 5 2 弹性抗弯承载力2 9 2 6 预应力c f r p 布加固简支组合梁3 5 2 7 极限抗弯承载力3 8 2 8 本章小结4 1 第3 章界面相对滑移及滑移影响的变形与界面剪力4 3 3 1 界面相对滑移4 3 3 2 变形计算5 0 3 2 1 基于附加变形法的变形51 3 2 2 基于弹性理论的变形5 3 3 3 组合界面剪力计算6 1 3 3 1 基于弹性理论的界面剪力6 1 3 3 2 基于变分理论的界面剪力_ 6 5 3 3 3 算例分析7 0 v i i 东北大学博士学位论文 目 录 3 4 本章小结7 2 第4 章预应力c f r p 布加固组合梁徐变效应分析7 3 4 1 混凝土徐变基本理论 8 7 - 9 4 7 3 4 1 1 徐变基本概念7 3 4 1 2 徐变计算方法7 8 4 2 组合梁的徐变效应分析理论81 4 2 1 初始状态应力分析8 l 4 2 2 初始状态应力分析8 5 4 3 组合梁徐变效应计算分析9 5 4 3 1 内力与变形沿梁长分布9 5 4 3 2 内力与变形随时间变化9 7 4 3 3 设计参数对组合梁的影响9 8 4 4 本章小结1 0 1 第5 章预应力c f r p 布加固组合梁非线性全过程分析l0 3 5 1 弯矩曲率计算1 0 3 - 1 1 1 1 1 0 3 5 2 荷载变形计算1 0 3 - 1 1 1 1 0 5 3 本章小结113 第6 章预应力c f r p 布加固组合梁空间有限元分析1 15 6 1a n s y s 软件简介【1 1 2 - 1 2 1 15 6 1 1a n s y s 软件应用范围1 1 5 6 1 2a n s y s 软件分析计算的类型1l6 6 1 3a n s y s 软件二次开发技术1 l7 6 2有限元模拟【1 1 2 - 1 2 1 1 1 1 9 6 2 1 建模方法1 19 6 2 2 建模步骤1 2 0 6 2 3 混凝土裂缝处理1 2 4 6 3 计算结果分析12 6 6 3 1 基本单元划分l2 6 6 3 2 计算结果分析1 2 7 6 4 本章小结1 3 2 第7 章结论与展望135 7 1 结论13 5 v i i i 东北大学博士学位论文 目录 7 2 展望13 6 参考文献1 3 7 致谢1 4 5 攻读博士期间发表的论文14 7 攻读博士期间科研情况14 7 东北大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究意义 目前，我国工程建设开始进入数量与质量功能并重的阶段，工业与民用建筑对提高 建筑质量功能技术的需求，将形成工业与民用产业高薪技术的巨大市场。随着人们对物 质文化生活需求的日益提高以及生产工艺的变革，使建筑结构已面临着新的挑战，人们 总想在有限的建筑面积和空间内获得最好的使用功能和最佳的投资回报，由此促进了建 筑结构向着大柱网、大开间、大跨度及多功能方向发展，促使建筑物的规模、功能、造 型和相应的建筑技术越来越大型化、复杂化和多样化。而传统的普通钢筋混凝土结构、 钢结构等在某些方面或者显示出有些不适应，或者满足不了现代建筑结构的某些性能要 求，研究开发能够改善建筑体系的结构使用功能、节约材料、节省能源的建筑产品已成 为我国政府和企业关注的热点。近年来的工程实践证明，钢与混凝土组合结构兼有钢结 构与混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我国基本建设的国 情，它将成为本世纪土木工程中的重要结构体系之一。 酉匿 图1 1 组合梁截面 f i 9 1 1t h et y p eo f s e c t i o n o nc o m p o s i t eb e a m 钢与混凝土组合梁是通过剪力连接件将钢梁( 工字钢、钢箱梁) 与混凝土板连接起 来的一种梁，见图1 - 1 。这种组合梁能够充分利用钢材所具有的优越抗拉性能和混凝土 所具有的优越抗压性能，从而使材料性能得到充分合理利用，它兼有钢结构和钢筋混凝 土结构的优点。3 1 ，这种组合梁在结构工程中已得到应用，特别是在桥梁中应用具有更大 优势。实践证明，钢与混凝土组合梁经过多年的使用会遭到不同程度的损伤与破坏，这 些可能是由于材料腐蚀、疲劳、正常运输引起磨损、超载( 高或宽) 车辆的撞击、火灾 - 1 - 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 及故意破坏等而导致梁的整个构件或局部的损坏。即使组合梁按当前的荷载标准设计， 也可能是因为设计或者施工中存在缺陷及材料质量问题等，引起宏观材料的劣化，造成 其承载力、刚度等不足。特别是近几年，由于桥梁上的重载车辆和交通量都迅速增长， 按以前标准设计的桥梁不能应付当前的交通量需要，这种趋势在经济发展快速的地区更 加明显。为了确保梁式钢结构的安全工作，延长使用寿命就必须对腐蚀、损伤的钢结构 梁进行更换或者进行修复加固，而更换这些结构构件造成极大浪费。钢结构的损伤具有 局部性、多发性特点，这些结构不可能在损伤出现时就立即退役。由于些资源( 资金 和劳动力) 和时间竞争需要，以及结构重建的高额费用的需要，任何计划都需要准确判 断一系列的经济效益问题。从管理观点出发，主要目标是保持结构在服务期内最小的花 费，由于这些，结构工程师自然地注重结构的修复、加固与更换工作。为此，寻求既经 济而又不影响正常使用，又能提高结构承载能力、刚度和耐久性的维修与加固方法是一 个亟待解决的技术问题h 1 。 当评估不同加固方法对钢结构梁实施加固时，除需要正确判断加固后结构外形、附 加自重量、承载能力增长幅度及相关费用外，还必须考虑对正常使用的影响及长期使用 的维护费用和耐久性等问题，基于这些情况，很多加固方法的使用将受到限制。目前， 传统加固钢结构的方法是采用钢板焊接、铆接、螺栓连接或粘贴钢板等h 棚，这些方法在 一定程度上，增加了构件截面尺寸，造成构件重量增加和刚度的改变，导致结构内力重 分布，钢板不容易制作成各种复杂形状，运输与安装也不方便，在施工中需要相应的机 械设备，维护费用高等，在高空作业时存在一定的难度和危险性。焊接加固时，高温作 用使焊缝部位的材料组织和材料性能劣化，焊缝内部存在残余应力，降低了结构疲劳寿 命。焊缝使结构连成一体，一旦焊缝出现问题，就有可能一裂到底，引发重大事故；采 用螺栓连接时，需要在构件损伤部位附近钻孔，削弱了截面，形成新的应力集中区。在 动力荷载下，普通螺栓容易松动，高强螺栓容易发生应力松弛现象，降低结构补修效果。 为了确保这种连接的可靠性，必须准确固定铆接，这样需要更多的劳动力和时间；粘钢 加固技术，它是在钢结构表面利用结构胶粘钢板，依靠结构胶使钢板与结构成为整体而 共同工作，提高结构承载能力，但是，钢板容易锈蚀，影响粘结强度。钢板厚度增加原 构件的截面尺寸，钢板重量明显地增加结构重量而影响结构的使用性能和动力性能。另 外，由于钢板的重量，在施工时，需要搭设脚手架来堆放钢板，这些都限制了这种方法 的使用。可见，现有的钢结构加固方法存在很多问题，发展和建设具有长期耐久性和低 维修费用的钢结构桥梁修复与加固技术已是迫在眉睫。 一2 -一已- 东北大学博士学位论文第1 章绪论 近几年，出现一种新型加固材料，纤维增强复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ， 简称f r p ) 。f r p 是一种由连续纤维和树脂基体组成的新型复合材料，主要有碳纤维复合 材料( c f r p ) 、玻璃纤维复合材料( g f r p ) 和芳纶纤维复合材料( a f r p ) 等。f r p 材料具 有强度高、质量轻、抗疲劳、耐腐蚀及施工方便等优点，因而已经以各种形式应用于土 木工程结构中，特别是利用f r p 板材加固混凝土结构取得可喜的成果，也成为国内外研 究的热点。近几年，美国、日本及欧洲一些国家已经利用f r p 来加固大型钢结构桥梁， 并做了相应的研究，从理论和实践上证明，在损伤钢结构表面粘贴f r p 进行加固是一种 非常有效的方法。粘贴f r p 加固钢结构，不仅能恢复其失去的刚度和承载力，改善其疲 劳性能，不产生残余应力，不损伤原结构，加固后基本不增加结构的自重与尺寸，还能 对钢结构形成保护，起到加固和防护双重作用，从而延长了结构使用寿命，并且，柔性 的f r p 对于形状不规则、封闭式的钢结构具有更特殊的优势。 利用f r p 布加固钢筋混凝土和钢结构受弯构件时，f r p 的高强度特点在混凝土受拉钢 筋或钢结构受拉边缘屈服以前所起的作用是有限的，仅在混凝土梁中受拉钢筋屈服或钢 结构受拉区屈服后才得以发挥。针对这一问题，将传统预应力技术与f r p j j i 固技术相结 合，能更进一步提高结构的承载力和刚度，减小组合梁的变形，在受拉区域引入压应力 而减小了疲劳破坏，并使f r p 布抗拉强度得以充分应用，材料使用更加充分h 吲。 对钢与混凝土组合梁中的钢梁施加预应力，不是消除材料差异，使脆性材料变成弹 性材料，而是扩大材料的弹性范围，更加充分利用高强材料，发挥材料特性。其显著特 点是：扩大了结构的弹性范围。由于预应力在张拉翼缘中引起压应力，从而推迟了张拉 翼缘的屈服：节约材料，降低工程造价。有效地利用高强材料，减轻结构自重，可以节 约钢材2 0 左右；增加了结构的疲劳抗力，使低韧性钢梁的脆断可能性减小，且通过降 低有效应力幅值来增强结构的疲劳寿命，从而增强结构的承载能力和疲劳能力；提高极 限承载力，减少结构变形。可见，利用预应力f r p 布加固钢与混凝土组合梁具有重要实 际意义。 1 2f r p 的基本性能与特点哺。1 阳 常见的f r p 材料包括碳纤维增强复合材料( c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称 c f r p ) 、玻璃纤维增强复合材料( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称g f r p ) 及芳纶纤维 增强复合材料( a r a m i df i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称a f r p ) 三种，使用形式上主要有 棒材，见图卜2 ，片材，见图1 - 3 ，型材，见图1 - 4 。 ( a ) f r p 筋 铲7 “i ? ，7 _ ? 4j 、_ ：箩鼍o j _ ：。”o 。1 毪 i ：曩；萼囊；瓮爱z ：专；乏；二! ：= 譬；i 冬i ：j 。? ：i ：。j ：；0 。a r a p r e e “一，!i ( b ) 预应力f r p 筋 图1 - 2f r p 棒材 f i 9 1 2t h et y p eo ff r pt e n d o n ( a ) t h et y p eo ff r pb a r ；( b ) t h et y p eo fp r e s t r e s s i n gf r pb a r 东北大学博士学位论文第1 章绪论 图卜3f r p 片材 f i 9 1 3t h et y p eo ff r ps h e e t p l a t e 图卜4f r p 型材 f i 9 1 4t h et y p eo ff r ps h a p e c f r p 是由有机纤维在惰性气体中经高温碳化而成，按原丝类型分为聚丙烯基和沥青 基两类。由于碳纤维的强度很高，抗拉强度可达6 0 0 0 m p a ，弹性模量可达3 0 0 g p a ，而 极限应变仅为1 2 - - - 2 0 。碳纤维的制造成本高，比较昂贵；g f r p 是使用最多的纤维 树脂复合物，常用于制造玻璃钢制品以及应用于结构加固工程中。常用的g f r p 有e 型 和s 型两种，e 型g f r p 强度较低，价格低，s 型g f r p 强度较高，价格也较贵。g f r p 的抗拉强度在2 3 0 0 3 9 0 0 a 之间，弹性模量在7 4 - - 8 7 g p a 之间；a f r p 是含芳纶合 成纤维的复合物，主要有织带状、螺旋状和扁平杆状三种截面形式，其纤维的抗拉强度 在2 6 5 0 - - - 3 5 0 0 m p a 之间，弹性模量在7 5 1 6 5 g p a 之间，芳纶纤维没有疲劳极限，徐变 损失比较严重，另外，其对紫外线辐射也比较敏感。常见的f r p 的力学性能，见表1 1 ， f r p 筋的应力一应变关系，见图1 5 。 - 5 - 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 表1 1f r p 的力学性能 o f - u 图1 - 5 典型f r p 的应力一应变关系 f i g l - 5t y p es t r e s s s t r a i nc u r v eo ff r p s t r a i nl m 州| l l i m ) f r p 的主要特点： ( 1 ) 抗拉强度高。f r p 的抗拉强度与高强钢相近，并且在达到f r p 的抗拉强度之前， 几乎没有塑性变形产生，即f r p 的应力一应变曲线始终为直线，没有明显的屈服台阶； ( 2 ) 强度一质量密度比大。f r p 的密度一般仅为钢的1 6 - - 一2 5 ，而强度一质量密度 比约为钢材的5 倍； ( 3 ) 弹性模量较低。f r p 的弹性模量约为钢的2 5 7 5 ，为此，在配有f r p 筋的 混凝土结构中，如果不施加预应力，不可避免会造成构件挠度较大，裂缝开展较宽； ( 4 ) 抗剪强度和抗挤压强度较低。f r p 的抗剪强度比较低，一般不超过其抗拉强度 的1 0 ，为此，在将f r p 筋用作预应力筋以及进行f r p 筋的材性试验时，需要专门的锚 具、夹具等； 6 东北大学博士学位论文第1 章绪论 ( 5 ) 耐腐蚀性能极好。f r p 均具有非常好的抗腐蚀性能，对酸、碱及土壤等物质的 化学腐蚀有很强的抵抗力，其耐久性一般要大大优于钢材； ( 6 ) 热胀系数与混凝土接近。f r p 的热胀系数与混凝土接近，当周围环境温度变化， 两者间不会产生较大的温度应力； ( 7 ) 抗疲劳性能优良。f r p 材料的疲劳寿命取决于所承受的应力大小、试件形状、 纤维与树脂的含量、循环荷载次数及频率等； ( 8 ) 电磁绝缘性好。f r p 是非磁性材料，为此，对电磁绝缘性能有特殊要求的建筑， 使用f r p 替代钢材效果更好； ( 9 ) 热稳定性较差。一般情况下，g f r p 的适宜工作温度范围为一5 0 0 + 7 0 ，而 a f r p 为一5 0 0 + 1 2 0 。当超过这些温度范围后，f r p 的抗拉强度就会出现明显下降； ( 1 0 ) 成本较高，生产工艺复杂。就目前的生产工艺看，生产制作f r p 工艺较复杂， 一般需采用专门的设备完成，为此，其价格相对钢材较高。 1 3 研究现状 利用预应力技术加固钢与混凝土组合梁的研究开始是利用预应力钢索等对钢与混 凝土组合梁施加预应力，在这方面国内外都做了相应研究。美国、英国及加拿大等技术 先进国家自6 0 年代就开始了预应力钢与混凝土组合梁性能研究。 一般情况下，普遍采用承受正弯矩和承受负弯矩的简支组合梁试验来研究预应力组 合梁的受力性能n 7 吨5 1 ，国外先后研究了预应力钢与混凝土组合梁的弯曲设计方法，探讨 了预应力组合梁的承载力、混凝土开裂及应变等性能，研究了预应力筋类型、布筋方式、 预应力筋含量以及预应力大小等参数对结构静力行为的影响，研究影响预应力组合梁极 限承载力的主要因素，探讨侧向变形失稳及局部屈曲时的承载力与极限承载力的关系， 分析钢梁截面密实程度、预应力施工顺序、钢索类型以及混凝土板预应力效应等参数对 组合梁性能的影响；通过承受正弯矩的简支预应力组合梁的疲劳试验，研究了预应力组 合梁中的钢梁、钢索应力、钢索直径、单调或反复加载等参数；从理论上研究了体外预 应力组合梁非线性行为；针对已有的桥梁由于超载或材料老化而造成的桥梁恶化，采用 预应力加固技术，研究了预应力简支组合梁的动力行为，建立了分析模型，并通过试验 验证等。通过在连续组合梁的负弯矩区混凝土中施加预应力的静力试验，研究预应力对 混凝土裂缝和承载力的影响；通过在连续组合梁的负弯矩区混凝土内施加预应力的疲劳 试验，研究了连续组合桥的自振频率、桥梁的疲劳寿命等；从理论上建立了连续预应力 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 组合梁的粘弹性分析的模型，研究了预应力组合梁的徐变效应等。 从国外的研究情况看，尽管国外对预应力组合梁的研究作了很多工作，但是，对预 应力组合梁中的交接面滑移对组合梁的承载力( 变形、组合截面应力传递等) 的影响、 预应力损失计算、混凝土徐变对预应力组合梁受力性能的影响及其计算方法、非线性分 析与设计理论等研究较少，特别是对综合考虑预应力、交接面连接刚度、混凝土的徐变 及预应力施工顺序与方法等对组合梁受力性能影响的研究更少，有的问题即使研究过， 也只是做了定性分析，很多问题有待于解决。 在国内，我国对预应力钢与混凝土组合梁的研究相对更少，1 9 9 7 年西南交通大学车 惠民教授等进行了两片简支和两片连续预应力混凝土组合梁的疲劳性能的试验研究，初 步提出预应力组合梁的受弯承载力简化计算方法乜钔；1 9 9 7 年王连广教授等在西南交通大 学做博士后研究工作期间进行了芜湖长江大桥的“预应力混凝土桥面系与钢桁架组合梁 的受力性能研究，研究了其交接面相对滑移及竖向掀起分布规律及其对桥梁性能的影响 等船7 1 ；1 9 9 9 年清华大学聂建国教授等，针对深圳彩虹大桥的设计，进行了预应力钢与混 凝土组合梁的研究，解决了该桥设计的关键技术问题心弘2 9 3 ；2 0 0 0 年中南大学余志武教授 等进行钢一预应力混凝土组合梁受力性能研究，研究了简支组合梁和在负弯矩区混凝土 中施加预应力连续组合梁的变形性能、内力重分布及初始挠曲对组合梁的影响等们； 2 0 0 3 年王连广教授等研究了高效预应力钢与混凝土组合梁受力性能研究，可见，我国对 预应力钢与混凝土组合梁的研究已做了部分工作。 利用c f r p 加固工程结构的研究是开始于2 0 世纪8 0 年代。日本、美国、加拿大及欧 洲一些工业发达国家，自2 0 世纪8 0 年代就开始了f r p 与胶粘剂的材料性能及加固补强 混凝土结构的研究，并编制了相应的设计规程或规范。我国自2 0 世纪9 0 年代也开始了 相应研究卜骝1 ，中国冶金院主编的“碳纤维片材加固修