（水工结构工程专业论文）中置集中荷载作用下FRP筋混凝土双向板冲切性能研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：贸荔在 日期：2 。l 。年5 月3 1 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：c 嚣茗雀 日期：2 0 1 0 年5 月3 1 日 摘要 摘要 众所周知，钢筋混凝土结构是我国港口码头建筑物的主要结构型式，而由 于钢筋锈蚀引起的结构过早破坏等耐久性问题日益突出。近年来，纤维增强聚 合物( f l 冲) 筋以其特有的高强、轻质、耐腐蚀等优良特性被认为是最具生命力 的新材料之一而受到广泛关注，为了解决混凝土结构物中的钢筋锈蚀问题，研 究f r p 筋代替钢筋应用于混凝土结构中的可行性，将具有重要的理论意义和实 用价值。本文针对港口码头中常用的混凝土双向板，进行了9 块四边简支混凝 土双向板在中置荷载作用下的冲切试验，其中包括7 块玄武岩纤维增强聚合物 ( b f l 冲) 筋混凝土双向板、1 块钢筋混凝土板和1 块钢筋与b f r p 筋复合增强 混凝土板，测得了双向板裂缝的出现与发展、b f r p 筋和混凝土应变、荷载一挠 度曲线、开裂荷载、极限荷载等大量数据，在f r p 筋混凝土双向板冲切性能研 究方面做了一些工作，主要内容包括： ( 1 ) 分析了f r p 筋混凝土双向板冲切变形的特点。研究结果表明，b f r p 筋混凝土板荷载中心挠度曲线可以大致分为三个阶段：首先，裂缝出现前，混 凝土板的刚度大，板处于弹性变形阶段，变形较小；其次，裂缝出现后，板的 刚度迅速降低，挠度曲线开始变缓偏向于挠度轴；最后，当板破坏时，荷载迅 速减小，挠度曲线几乎直线下降。 ( 2 ) 研究了f r p 筋混凝土双向板的冲切破坏特征。与钢筋混凝土双向板比 较，b f r p 筋混凝土板裂缝开展较快，在相同荷载作用下，b f r p 筋混凝土双向 板的挠度相对较大，但最终的冲切破坏仍为脆性破坏。 ( 3 ) 分析了混凝土强度、b f r p 筋配筋率、边长比等对f r p 筋混凝土双向 板冲切承载力的影响。结果表明，b f r p 筋混凝土双向板的冲切极限承载力随着 混凝土强度等级的提高而增大，随着f l 冲筋配筋率的增大而增大，随着边长比 的增大而减小。 ( 4 ) 研究了b f r p 筋混凝土双向板的冲切破坏机理。研究认为，f r p 筋在 混凝土双向板中的抗冲切作用机理与钢筋基本一致，但由于b f r p 筋与钢筋在弹 性模量及横向抗剪性能方面的区别，f r p 筋混凝土双向板的冲切破坏形态与钢 筋混凝土双向板有相似之处，但又有所区别。b f r p 筋的销栓作用所提供的冲切 承载力与b f r p 筋配筋率有直接关系。 h 范 中 方 c h i e ff a c t o rt oa f f e c tt h e f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r c i v i lb u i l d i n g s ，o f f s h o r e s t r u c t u r e sa n d u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gi n f r a s t r u c t u r e s d u et ot h e i r s u p e r i o r p r o p e r t i e ss u c h 鹤h i g hs t r e n g t h ，l i g h tw e i g h t ，g o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ee t c f o r s o l v i n gt h ep r o b l e mo fc o r r o s i o no f s t e e lb a r si nc o n c r e t es t r u c t u r e s ，t h ei n v e s t i g a t i o n o nf e a s i b i l i t yo fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r ew i t hf r pr e b a r si n s t e a do fs t e e l r e i n f o r c e m e n tw i l lb ei m p o r t a n ta n dn e c e s s a r y i nt h i sp a p e r ，t h es e v e ns p e c i m e n s w l er e i n f o r c e dw i t l lb f r pb a r sb u tt h ec o n c r e t es t r e n g t h ，r e i n f o r c e m e n tr a t i oo f b f l 冲b a r sa n dt h ea s p e c tr a t i oo fs p e c i m e n sv a r i e di nd i f f e r e n ts p e c i m e n s ，t h eo t h e r t w os p e c i m e n sw e r er e s p e c t i v e l yr e i n f o r c e dw i t hp a r t i a lo ra l ls t e e lb a r sa sc o n t r o l s p e c i m e n s as e r i e so ft h et e s td a t a , s u c ha st h eo c 圮u r i n ga n dd e v e l o p m e n to fc r a c k ， b f r pt e n d o n ss t r a i n ，c o n c r e t es t r a i n ，l o a d d e f l e c t i o nc u r v e ，c r a c k i n gl o a d ，u l t i m a t e l o a da n ds oo n ，w e r em e a s u r e d a n dt h ep u n c h i n gb e h a v i o ro ft w o - w a yc o n c r e t es l a b s r e i n f o r c e dw i t hb a s a l tf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( b f r p ) b a r su n d e rp u n c h i n gs h e a r l o a d i n gi ss t u d i e db a s e do nt h et e s tr e s u l t s t h em a i nw o r k si n c l u d e ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so f p u n c h i n gs h e a rd e f o r m a t i o no ft h et w o - w a yc o n c r e t e s l a b sr e i n f o r c e dw i t hb f r pb a r su n d e rp u n c h i n gs h e a ra r ea n a l y z e d 1 1 1 er e s u l t ss h o w t h a tl o a d c e n t e rd e f l e c t i o nc u r v eo fb f r pr e i n f o r c e dc o n c r e t es l a bc a nb er o u g h l y d i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ，n a m e l yb e f o r ec r a c k i n g ，a f t e rc r a c k i n g , a n dp u n c h i n gs h e a r f a i l u r e ( 2 ) 1 1 1 ep u n c h i n gs h e a rf a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft w o w a yc o n c r e t es l a b s r e i n f o r c e dw i t hb f r pb a r sa r ei n v e s t i g a t e d c o m p a r e dw i t ht h er e i n f o r c e dc o n c r e t e t w o w a yp l a t e ，c r a c k so fb f r pr e i n f o r c e dc o n c r e t es l a bd e v e l o pf a s t e r , a n dt h e d e f l e c t i o ni sr e l a t i v e l yl a r g e ri nt h es a m el o a d i n gl e v e l ，b u tt h ep u n c h i n gf a i l u r e e x h i b i t e sa sb r i t t l ec h a r a c t e r i s t i c ( 3 ) t h ee f f e c t so fs o m ef a c t o r s ，s u c ha s s t r e n g t ho fc o n c r e t e ，b f r p r e i n f o r c e m e n tr a t i o ，a s p e c tr a t i oo fs p e c i m e n s ，e t c o nt h ep u n c h i n gs h e a rc a p a c i t yo f b f r pr e i n f o r e e dc o n c r e t et w o - w a ya r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu l t i m a t e 1 1 1 a b s t r a c t p u n c h i n gc a p a c i t yo fb f r pr e i n f o r c e dc o n c r e t et w o - w a ys l a be n h a n c e sw i t ht h e i n c r e a s eo fc o n c r e t es t r e n g t hg r a d ea n db f r pr e i n f o r c 锄e n tr a t i o ( 4 ) t h ep u n c h i n gs h e a rf a i l u r em e c h a n i s mo fb f r pr e i n f o r c e dc o n c r e t e t w o - w a y s l a b sa r ea n a l ) ，z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p u n c h i n g - r e s i s t a n c e m e c h a n i s mo fb f r pr e b a r si ss i m i l a rt os t e e lr e b a r si nc o n c r e t et w o - w a ys l a b s ( 5 ) b a s e do nt h et e s ts t u d i n ga n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，r e f e r r i n gt ot h e p r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t sa n dc o n s i d e r i n gt h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fb f r pt e n d o n , t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l ao np u n c h i n gs h e a rc a p a c i t yo fc o n c r e t et w o - w a ys l a b s r e i n f o r c e dw i t hb f r pr e b a r su n d e rm i dc o n c e n t r a t e dl o a d i n ga r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：b f r pb a r s ，t w o w a yc o n c r e t es l a b ，p u n c h i n gs h e a rb e h a v i o r ， u l t i m a t ep u n c h i n gc a p a c i t y i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 课题背景。l 1 2 纤维增强聚合物f f r p ) 筋的研究及应用。2 1 2 1f r p 筋的特点4 1 3 国内外研究及应用现状6 1 4 本课题的研究意义8 1 5 本课题研究的主要内容1 0 2f r p 筋混凝土双向板冲切试验概况。1 1 2 1 前言1 l 2 2f r p 筋材力学实验13 2 2 1 试验方案及设备1 3 2 2 2 试件的设计l5 2 2 3 试验现象及结果1 5 2 3f r p 筋混凝土板设计制作l6 2 3 1 试验板设计l7 2 3 2 试验板制作1 9 2 4 试验装置及测试内容2 2 2 4 1 试验装置2 2 2 4 2 测试内容2 4 2 5 加载制度及测试方法。2 4 2 5 1 加载制度二2 4 2 5 2 测试方法2 4 2 5 3 测点布置2 6 3f r p 筋混凝土双向板冲切试验结果及分析2 9 3 1 试件混凝土强度2 9 3 2f r p 筋混凝土板冲切试验结果分析3 0 目录 分析3 0 ，b 挠度。3 4 3 8 4 3 4 7 3 3f r p 筋混凝土双向板冲切破坏机理分析4 8 3 3 1 概述4 8 3 3 2 弯曲破坏机理4 9 3 3 3 冲切破坏机理。4 9 3 3 4 弯曲与冲切破坏机理比较5l 4f r p 筋混凝土双向板冲切极限承载力计算方法研究。5 2 4 1 概述5 2 4 2 冲切承载力影响因素5 3 4 2 1 混凝土强度5 4 4 2 2b f r p 筋配筋率5 5 4 2 3 边长比5 7 4 2 4 筋材混合比。5 8 4 2 5 加载位置5 8 4 3f r p 筋双向板冲切极限承载力计算方法5 9 4 3 1 混凝土板冲切受力模型5 9 4 3 2 国内外规范中冲切的基本规定6 l 4 3 3f r p 筋混凝土双向板冲切极限承载力建议公式6 3 5 结论与展望，6 6 5 1 本文的主要结论。6 6 5 2 展望。6 7 参考文献6 8 致j 射7 2 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 钢筋混凝土结构是我国港口码头建筑物的主要结构形式。在海水及大气的 综合作用下，钢筋混凝土结构内的钢筋将在较短的时间内发生锈蚀而导致结构 承载力的降低，进而影响港口码头结构的正常使用甚至发生安全事故。有调查 结果显示，我国使用7 - 2 5 年的海港码头有近9 0 出现钢筋锈蚀破坏，因钢筋 锈蚀造成的巨大的直接和间接经济损失，我国每年因钢筋锈蚀引起混凝土结构 破坏的损失就高达1 0 0 0 亿元。据资料介绍口1 ，英国建造在海洋及氯化物介质环境 中的钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀需要重建或者更换钢筋的占三分之一以上；在 日本，钢筋锈蚀问题极为严重，1 0 3 座混凝土海港码头中使用2 0 年以上的码头 都有相当大的钢筋锈蚀；澳大利亚对6 2 座混凝土结构进行调查发现，海岸混凝 土结构的耐久性问题都与浪溅区的钢筋严重锈蚀有关。近年来的观测事实表明， 由于温室效应，大气二氧化碳浓度急剧增大，许多沿海地区的海岸带侵蚀加剧、 海水倒灌侵蚀淡水资源，海港码头等钢筋混凝土结构物将经受更为严峻的考验。 钢筋耐化学腐蚀性能差，因钢筋锈蚀所引起的混凝土建筑物过早破坏问题 已成为全世界普遍关注的重大灾害之一，多年来一直困扰着工程界，对于海洋 结构、近海结构以及地下结构等尤为突出。为了防止和克服因钢筋锈蚀引起的 混凝土结构耐久性问题，国内外学者自二十世纪六十年代开始相关的对策研究， 如在钢筋混凝土表面涂敷防水涂料，阻隔并防止腐蚀介质渗透至混凝土中；开 发耐腐蚀钢筋( 如不锈钢筋) ，提高钢材自身的防腐性能；开发新型涂层钢筋， 如镀锌钢筋、环氧涂层钢筋等：利用电气防腐方式，阻止钢筋锈蚀；开发新型 新型纤维塑料筋、纤维塑料薄板等：在混凝土中掺加具有防腐性能的阻锈剂等。 国内外学者经过多年的研究分析，认为采用纤维增强聚合物筋( f i b e r r e i n f o r c e dp l a s t i c sr e b a r ，简称f r p 筋) 是行之有效的口刊。f r p 筋具有密度小、 抗拉强度高、抗疲劳和耐腐蚀等优良特性，被认为是最具生命力的新材料之一 而受到广泛的关注和研讨，将其作为钢筋的补充甚至替代材料应用于海港工程 等处于恶劣环境条件下的混凝土结构中，不仅可以从根本上解决钢筋锈蚀问题， 提高结构的耐久性和使用寿命，而且可以显著降低自重，减少维护费用。近年 兴建的一座货运 ( a f r p ) 作为预 服务中心设计并 该材料的采用有 g f r p ) 和聚酯树 脂建造了一个采油平台通道，由于f r p 筋所具有的优良抗腐蚀性能，省却了大 量维护费用呻】。 随着我国沿海地区的开发以及海洋工程向大型、跨海、外海化发展，海港 码头中的大型起重运输机械、集装箱等作用在码头面板上的集中荷载也越来越 大，在正常使用范围内，结构开裂与钢筋锈蚀很难避免，结构防腐成为海洋基 础设施建设中最突出的问题。目前已建或在建的海洋工程中的钢筋混凝土结构， 即使采用最厚的混凝土保护层( 1 5 0 m m 左右，约相当于陆地钢筋混凝土结构保护 层的5 倍) 及防腐措施，结构耐久年限也仅有2 0 年左右，远远达不到海洋工程 结构的耐久性要求。由于f r p 筋具有较高的抗拉强度和优良的抗腐蚀性能，采 用f r p 筋混凝土结构就可以从根本上解决海洋工程中的钢筋锈蚀问题，对海洋 和港口工程的建设将具有重大意义。 1 2 纤维增强聚合物( f r p ) 筋的研究及应用 纤维增强聚合物筋( f r p 筋) 是通过拉挤成型工艺将多束连续纤维( 如玻璃 纤维、碳纤维、芳纶纤维，玄武岩纤维等等) 经过热固性树脂或热塑性树脂完 全浸渍并充分接触后，再经过高温成型使之在模具内快速固化拉制而成的一种 新型复合材料，其中各纤维是主要的受力物体，纤维含量越高，其抗拉强度越 高，但是随着纤维含量的在一定范围内逐渐增加，其延展性能会变差。一般f r p 筋中纤维的体积含量为5 0 - 6 5 。常用的纤维有碳纤维( c a r b o nf i b e r ) 、芳纶 纤维( a r a m i df i b e r ) 和玻璃纤维( g l a s sf i b e r ) 、玄武岩纤维( b a s a l tf i b r e ) 以及混杂纤维( 将两种或者两种以上的纤维按照一定的比例混杂在一起制成， 简称h y b r i df i b e r ) 等。f r p 筋中树脂主要起的是粘结作用，就是用来把纤维 束粘结约束在一起，这可以保证纤维筋稳定尺寸，同时还能使纤维束集中于一 起共同受力工作。目前国内外常用的树脂材料主要包括有不饱和聚酯树脂、环 氧树脂、聚酰胺树脂、聚乙烯基树脂等等。在实际制作过程中也通常在树脂中 2 1 绪论 掺入适量辅助剂( 如引发剂、促进剂、蚀变剂、阻燃剂、阻聚剂等) 以改善基 体树脂的各方面性能，从而提高f r p 筋材制品的优越性能。 根据纤维和基体的材料、纤维含量、断面和表面构造形式的不同，纤维塑 料筋将呈现不同的物理力学性能。根据纤维的不同种类可以分为碳纤维增强聚 合物( c f r p ) 筋、玻璃纤维增强聚合物( g f r p ) 筋、芳纶纤维增强聚合物( a f r p ) 筋以及国内外近来开发出来的的混杂纤维增强聚合物( h f r p ，h y b r i df i b e r r e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称h f r p ) 筋等。根据纤维增强聚合物筋的成型方式不 同还可分为编织型、绳索型、拉挤型等。编织型是将纤维束在树脂中充分浸胶 后编织成辫子状再固化而成；绳索状是将纤维束浸胶，再经制绳工艺制成绳索 状固化而成；拉挤型是将纤维束浸胶后通过高温成型模块在一定张力作用下拉 挤成型，拉挤成型方法具有制作效率高、质量容易控制、生产成本低等一系列 特点，所以也是目前国内外制造纤维增强聚合物筋的最普遍方法，欧美等发达 国家的大多数公司也都是用这种方法来生产纤维增强聚合物筋的。 为使纤维增强聚合物筋能在混凝土中充分发挥其特有性能，一个很重要的 前提是使其与混凝土粘结性能较好。为了提高f r p 筋与混凝土的粘结性能，目 前常采用以下方法对f r p 筋材进行二次加工，方法有如下几种：( 1 ) 筋材固化 前在筋的表面以螺旋形缠绕纤维束；( 2 ) 在筋材表面用纤维编织带子，使其形 成表面凹凸状；( 3 ) 在筋材表面粘上粒状物或短纤维等：( 4 ) 通过外力直接对 筋材外表面进行切削处理，使其产生刻痕而形成表面凸凹状；具体如图1 1 所 示。 光 圆 状 缠 绕 纤 维 柬 粘 砂 状 1 绪论 螺 纹 筋 图1 1 不同表面形式的 刻 痕 筋 f r p 筋是一种各向异性非常明显的材料，不同原材料制成的纤维增强聚合 物筋之间的物理性能差别非常大，常见因素如纤维类型及其含量、树脂类型及 其含量、生产过程中的温度控制、制备工艺及方法等都对产品的性能有重要影 响。纤维增强聚合物筋的主要受力组份是纤维丝，目前主要有玻璃纤维、碳纤 维、芳纶纤维、玄武岩纤维等。由于制作筋材的主要原料一纤维之间存在着很 大差异，所以由此制作出来的纤维筋之间的物理力学性能也存在很大的差异。 ( 1 ) 抗拉强度高 抗拉强度高是f r p 筋的一个最主要也是最突出的特性，也是它之所以这么 受欢迎的一个主要原因。作为一种新型高性能材料，其抗拉强度要远高于一般 的普通钢筋，有的甚至大于高强钢丝，它的抗拉强度一般为6 0 0 - - , 2 0 0 0 m p a ，c f r p 筋可高达3 0 0 0 m p a 。同时，f r p 筋弹性模量低，且基本呈线弹性，受力过程中 不会出现明显的屈服阶段，在到达极限应力时会发生突然破坏，脆性特征极为 显著。 ( 2 ) 耐腐蚀 由于f r p 筋中的主要材料是塑料纤维及有机树脂，它们都属于有机物，在 正常使用条件下比普通钢筋稳定得多，因此f r p 筋的抗腐蚀能力也较普通钢筋 好，特别是在桥梁工程、港口码头、隧道涵洞等空气中水分、盐分含量大的结 构构件中更是如此。但不同类型的f r p 筋之间的耐久性能也略有差异，如碳纤 维筋在酸、碱、盐和潮湿的环境下耐久性较好，而g f r p 筋在强碱环境下耐久 性有所不足，a f r p 筋抗潮湿性能较差，因为它会吸收环境中水分而降低本身的 力学性能。这些性能之间的差异主要是由于它们的组分特性不同所造成的。 ( 3 ) 质量轻 4 筋混凝土结构的质量轻，所以在承受同等荷载条件下所需要的结构截面尺寸将 大大减小，这不但节省了材料，方便施工，同时还减少工作人员的数量，方便 了运输和工程管理，从而有效降低了工程成本。尤其在桥梁结构中，f r p 筋混 凝土结构的使用，使大跨度结构的极限得到了进一步的拓展，这对于工程界来 说无疑是一件好事。 ( 4 ) 耐疲劳且线弹性 根据国内外研究数据显示，f r p 筋的抗疲劳性能也相当好，与普通钢筋的 耐疲劳性能相近，完全能够满足目前土木工程界对结构构件抗疲劳性能的要求。 f r p 筋塑性变形小，由于f r p 筋是线弹性体，f r p 筋的应力应变曲线在受拉 破坏前几乎呈直线，基本无塑性变形阶段。尽管如此，由于f l i p 筋弹模低，一 般处于( o 4 1 5 ) x 1 0 5 m p a 之间，f r p 筋混凝土构件在正常使用过程中仍会产 生较大的变形。 ( 5 ) 绝缘性好 总所周知，钢筋是良好的导体，它的存在会对整个结构构件周围的电磁场 产生较大影响，这对于有些特殊场合来说是非常不利的，甚至容易引起重大事 故，如电站、飞机场、雷达站、精密仪器实验室等地方。f r p 筋是由属于非金 属材料的有机纤维及有机树脂组成，其电磁绝缘性较好，对磁场一般没有影响， 这就使f r p 筋替代钢筋用于有特殊要求的建筑物中成为可能。 ( 6 ) 抗剪能力低 f r p 筋的抗剪强度较低，一般仅有几十兆帕，只有它抗拉强度的十分之一 不到，在使用过程中不容易被拉断但很容易被剪断，而抗剪能力在混凝土结构 中也非常重要，所以在使用过程中不宜让f r p 筋承受过大的剪切应力。但是， 较低的抗剪强度也使得f r p 筋具有良好的加工性能，容易切割。再者，f r p 筋 不能像钢筋一样容易弯曲，因此在进行f r p 筋材料试验以及将f r p 筋用于构件 中受力时，筋端锚固是个有待解决的问题，目的解决的方法主要是加工特殊的 锚具，国内外很多单位也正在进行f r p 筋专用锚具、夹具以及连接件的研发工 作。 5 结构中的钢筋腐蚀问题越来越突出，特别是在一些特殊环境中( 港口码头、p h 值变化大的生产车间、污染物处理厂等) 钢筋锈蚀引起的问题尤其明显，因此 f l u 筋的优良性能又逐渐引起了人们的关注。n - 十世纪八十年代中期，人们 开始对f r p 材料的研究投入了大量的人力物力，人们对f r p 材料的研究日益深 入，f r p 材料发展初期的许多缺点被逐渐克服，在许多关键技术问题上也获得 重大进展，工程界对f r p 筋在混凝土结构中的应用产生了浓厚兴趣。随后，以 欧美、日本等发达国家为代表的工程界对f r p 筋混凝土结构进行了更为深入的 研究【3 1 1 。经过近二十年来的发展，f r p 筋已经应用于土木工程领域的多个方面， 试验及现场结构调查表明，f i 冲筋混凝土结构较好地解决了结构中因钢筋锈蚀 引起的一系列问题。 美国在f r p 筋方面的研究起步最早，发展也最快。最初的研究工作主要集 中在大学以及研究院等大型科研单位，研究范围也非常广泛，涉及到f r p 材料 的各个方面。在美国，几乎所有的大学都有专门的f r p 材料研究中心，而且随 着研究的深入，f r p 筋材料各方面性能得到较大改善，使得f r p 材料在美国有 6 1 绪论 了很多非常成功的工程实际应用。美国国家科学基金会( t h en a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ) 以及联邦公路局( f e d e r a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) 等国家著名机构 还专门建立了f r p 材料应用实验室，同时也设立很多f r p 相关资助项目以鼓励 相关科研单位对f r p 材料的研究。可见，美国对f r p 材料行业的发展前景是非 常看好的。有资料表明，目前美国又开始了新一轮的有关f r p 材料修补、加固 及其应用新技术的研究开发计划。 美国混凝土协会( a c i ) 于上世纪九十年代初专门成立了独立的委员会，即 著名的a c l 4 4 0 委员会。该委员会主要职能就是专门组织开展有关f r p 筋应用 的研究工作，同时该委员会还通过整合国内有关方面的研究成果最终编制了f r p 材料混凝土结构的试验方法标准及相关工程结构设计规程。经过学者们近几十 年的努力工作，美国混凝土协会( a c i ) 于2 0 0 1 年提出了f r p 筋混凝土结构的 设计规程，并在土木工程界推广应用，取得了良好的效果。在此基础上，a c l 4 4 0 委员会于2 0 0 3 年正式出版了f r p 筋混凝土结构设计及施工指南 ( a c l 4 4 0 1 r 0 3 ) 。该规范是目前为止，全球采用最多的f r p 筋混凝土结构设 计规范之一。随着经济的发展，在近十年内，美国已有超过上百座的f r p 配筋 拉索和f r p 筋桥面板组成的桥梁建成。由此可见，f r p 筋混凝土结构在土木工 程领域的发展潜力是十分巨大的。 在欧洲，尤其是德国、日本等国家，在二十世纪六十年代也逐渐开始进行 有关f r p 筋的研究，至二十世纪八十年代中期开始采用f r p 筋来代替钢筋，并 大力开展f r p 筋的材料特性与结构性能研究【5 】。 截止目前，国外对于f r p 筋混凝土板的研究主要集中于单向板的受弯、受 剪性能和双向板的弯曲性能以及桥面板的现场受弯试验和有限元分析等方面。 加拿大对于f r p 材料应用的相关研究也进行得比较早。最早可以追溯到上 个世纪八十年代，由加拿大土木工程师协会( c a n a d i a ns o c i e t yo f c i v i le n g i n e e r s ， c s c e ) 提议并组织成立的先进复合材料( a d v a n c e dc o m p o s i t em a t e r i a l s ，a c m ) 技术分委会就有专门的学者对f r p 结构进行相关研究和探讨，后来在加拿大国 内也逐渐形成了f r p 结构应用的研究探讨机制。比较有影响的大型会议如 a c m b s 已经于1 9 9 2 、1 9 9 6 、2 0 0 0 、2 0 0 4 、2 0 0 8 年在加拿大召开了五届。 加拿大著名的研究机构，创新结构智能传感( i n t e l l i g e n ts e n s i n gf o ri n n o v a t i v e s t r u c t u r e s ，i s i s ) 研究中心、加拿大魁北克s h e r b r o o k e 大学等众多研究学者在f r p 筋结构的相关领域做了大量的工作。他们近几十年的工作主要是对f r p 筋在混 凝土结构中的受力作用机理及相关应用方面进行研究，同时他们对包括f r p 筋 7 1 绪论 的受力特点、材料特性、弹性特征、变形特点及其与混凝土粘结性能等方面也 进行了大量的研究工作。在加拿大国内，纤维增强复合材料的最主要用途是维 修加固港口码头、河道湖边等严寒地区遭受冰盐腐蚀的既有钢筋混凝土结构， 这些结构中以桥梁结构为主。随着f r p 筋在混凝土结构中的应用越来越广泛， f r p 筋混凝土结构在土木工程中所占比例也逐渐增大，因此，加拿大于1 9 9 6 年 在公路桥梁设计规范中增加了关于f r p 筋混凝土结构设计的内容。 相比于国外，国内对f r p 材料的研制以及f r p 筋混凝土结构方面的研究起 步较晚，但是发展迅速，到目前已经形成了较大规模。在清华大学、同济大学 郑州大学、东南大学、大连理工、天津大学等等高校的众多学者在f r p 材料及 其在工程中的应用做了大量的研究工作。随着有关f r p 材料的研究发展非常迅 速，相关研究机构的研讨会也经常召开，如每两年召开一次的全国f r p 会议在 各个不同的科研单位已经召开了六界。于此同时，国家对f r p 领域也给予了大 力扶植。国家8 6 3 项目资助了“高性能低成本复合材料在现代土木工程中应用 的关键技术与材料研究开发 项目；国家基金委9 8 年以来对纤维聚合物筋锚杆 受力机理、纤维聚合物筋混凝土梁力学性能、设计理论、锚固技术等发面都给 予了大力支持h 7 1 。同时各省、市级研究机构也对f r p 材料各方面性能进行了一 系列的研究，取得了一定的结果。但是国内主要研究集中在f r p 筋的研制陋2 u 、 f r p 筋与混凝土的粘结性能瞳2 。2 4 3 等方面的基础研究以及f r p 筋加固钢筋混凝土结 构的方面的应用研究。近年来，相关学者对f r p 筋代替钢筋应用于混凝土结构 中也做大量的研究，并取得了不少成果。但是由于种种原因，目前绝大多数都 是围绕着f r p 筋混凝土梁、柱等的受力性能进行的研究。截止目前尚未见到有 关f r p 筋混凝土板尤其是双向板研究的成果报导。 相比于国外发达国家，我国对新建f r p 筋混凝土结构的研究还处于起步阶 段，对相关机理方面的研究还不够深入，不管是人力还是物力的投入还相对不 足。因此在f r p 筋混凝土机构性能方面的研究与国外有相当的差距，有待于进 一步的研究。 1 4 本课题的研究意义 钢筋腐蚀带来的问题一直以来都是制约结构构件耐久性、影响构件使用寿 命的重要因素，国内外工程界为了解决钢筋混凝土中钢筋锈蚀问题和混凝土顺 筋膨胀的问题，做了很多工作，付出了很大的努力，但是结果还是难以让人满 混凝土结构的设计及计算理论还有待于进一步研究确定。因此，结合工程实际 需要和研究现状，开展f r p 筋混凝土双向板的冲切性能研究将具有以下重要意 义： ( 1 ) 钢筋混凝土双向板作为港口工程中应用最为广泛的结构形式之一，其 抗腐蚀性能直接关系到港n i 程建筑物的耐久性和使用寿命，将具有优越抗腐 蚀性能的f r p 筋代替钢筋应用于港口工程中的混凝土双向板结构具有重大的现 实意义。 ( 2 ) 国内外尚未对f r p 筋混凝土双向板的冲切性能和计算方法进行系统研 究，有关规范缺乏适合f r p 筋特点、具有充分试验研究依据的f r p 筋混凝土双 向板冲切计算方法和设计规定，对此开展研究是必要的，具有重要的理论意义 与应用价值。 ( 3 ) 由于f r p 筋的力学性能与钢筋具有显著差异，f r p 筋混凝土双向板的 冲切性能和冲切机理与f r p 筋混凝土单向板、钢筋混凝土双向板等均存在较大 不同，基于f r p 筋混凝土单向板或钢筋混凝土双向板的冲切试验结果所建立的 f r p 筋混凝土双向板冲切计算模型和设计建议缺乏试验研究依据。对f r p 筋混 凝土双向板在集中荷载作用下的冲切破坏机理进行充分的试验研究和深层次的 理论分析，有助于建立其冲切计算模型和计算方法，同时使试验与理论分析结 果相互印证。 综上所述，本试验开展集中荷载作用下f r p 筋混凝土双向板冲切机理及其 计算方法研究，通过f r p 筋混凝土双向板的冲切破坏试验，研究影响f r p 筋混 凝土双向板冲切性能的主要因素，提出f r p 筋混凝土双向板在冲切荷载作用下 的开裂荷载、极限冲切承载力、冲切延性等的计算方法，有助于丰富和发展f r p 筋混凝土双向板设计理论，为推动f r p 筋在港口工程、海洋工程等严酷环境中 的应用提供可靠的试验研究依据，从而具有重要的理论意义和实用价值。 9 1 绪论 1 5 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 中置集中荷载作用下f r p 筋混凝土双向板冲切性能试验研究 通过对9 块尺寸为1 8 0 0 r a m x1 8 0 0 m m x1 5 0 m m 的无腹筋简支整浇f l 冲筋混 凝土双向板( 包括1 块钢筋混凝土板、1 块钢筋f l 冲筋复合增强混凝土板、7 块 f i 冲筋混凝土板) 在中置集中荷载作用下的冲切性能试验，研究f l 心筋用量、 试验板边长比、混凝土强度等级等因素对f l i p 筋混凝土双向板在冲切荷载作用 下裂缝的出现与开展、破坏形态、f l u 筋应力状态、试验板冲切承载力以及冲 切变形性能的影响，并与钢筋混凝土双向板以及用f r p 筋取代部分钢筋的f l 冲 筋钢筋复合增强混凝土双向板的冲切性能进行对比。 ( 2 ) f r p 筋混凝土双向板冲切计算方法研究 在试验研究和理论分析的基础上，建立了f r p 筋混凝土双向板的冲切承载力计 算模型，提出了适合f l 冲筋性能特点的中置集中荷载作用下f i 冲筋混凝土双向 板冲切承载力计算方法。 1 0 2f r p 筋混凝十双向板冲切试验概况 筋混凝土双向板冲切试验概况 2 1 前言 冲切( p u n c h i n g ) 破坏是指板在局部面荷载和集中反力作用下，沿荷载周边 大体成4 5 度倾角的锥体斜截面上所发生的由剪力起控制作用的破坏，一般以冲 切锥体的形成为标志，包括板柱结点处板的冲切、基础板的冲切等。冲切破坏 发生后，板的承载力会迅速下降至一个极低值。而剪切破坏是受弯构件同时承 受弯矩m 和剪力v 时发生沿斜裂缝的破坏，包括斜拉破坏、剪压破坏、斜压破 坏等破坏形态。有学者认为，从受力角度分析，冲切破坏与剪切破坏的主要区 别在于剪切是一个平面受力问题，而冲切是三维立体空间上的受力问题。因此， 国外文献在强调冲切与剪切的区别时，将冲切称作 p u n c h i n gs h e a r 或“t w o w a y s h e a r ”，以体现“冲坏”的特点和“双向 特征，也反映出冲切破坏是存在于双向 受力板中的一种特殊的剪切破坏。冲切破坏的基本破坏形式如图2 1 所示。 图2 1 冲切破坏基本破坏示意图 一般来说，对于混凝土双向板在中置集中荷载作用下产生冲切破坏时，由于 板各轴向受力是对称的，因此形成的冲切锥体相对也比较规则。从板加载面的 边缘，以一定的倾斜角( 一般在4 5 。左右) 向板中性轴方向延伸，并最终与板的 受拉面相交为近似圆形。一般看来，板底的冲切环状裂缝都基本呈现近似圆的 形式，这点国内外研究学者的试验结果也基本一致。板底裂缝形态如图2 2 所示。 2f r p 筋混凝十舣向板冲切试验概况 图2 2 板底面裂缝意图 郑州大学的丁自强、韩菊红等人根据钢筋混凝土板不同的加载方式，通过 分析双向板的破坏过程以及裂缝形态，认为可以把冲切破坏分成以下三类：完全 冲切破坏、不完全冲切破坏和冲压破坏，如图2 3 所示。 笊 枣 l 贬