（固体力学专业论文）玻璃纤维筋混凝土梁的理论和试验研究.pdf

摘要 摘要 玻璃纤维筋具有自重轻、抗拉强度高、抗电磁和耐腐蚀等特点，目前已引起 工程界的广泛重视。但由于玻璃纤维筋为线弹性材料，材料的弹性模量较低，所 以玻璃纤维筋混凝土构件承载时不具有屈服阶段，结构变形与玻璃纤维筋应力发 展也表现出相应的特点。本文对玻璃纤维筋混凝土梁抗弯设计与承载性能进行了 理论与试验研究。首先采用材料力学方法，对普通钢筋混凝土梁的抗弯设计理论 进行修正，探讨了既适合于玻璃纤维筋混凝土梁特点，又与我国现行有关规范相 协调的玻璃纤维筋混凝土梁的抗裂度与抗弯承载力计算方法，推导出相应的计算 公式，并运用已有试验数据进行了验证，证明了推导的计算方法与公式的科学性 与可行性。 玻璃纤维筋混凝土梁的承载性能与诸多因素有关，其中配筋率变化是重要的 影响因素之一。本文应用a n s y s 有限元程序分析了四组不同配筋率玻璃纤维筋混 凝土梁在三分点加载作用下的受力性能，考虑不同的配筋率与相应直径的玻璃纤 维筋抗拉强度，研究了这些因素对梁体承载全过程中的开裂荷载、极限荷载、破 坏模式、挠度大小及发展、纤维筋最大拉应力的影响。计算结果表明，当配筋率 取1 1 3 时，既能充分发挥玻璃纤维筋的高强度性能，使梁体在极限荷载 的作用下受压破坏，又能提供足够的安全储备。研究结果也同时表明，a n s y s 有 限元程序能对纤维筋混凝土梁承载全过程进行准确的数值模拟分析。 同时本文对玻璃纤维筋混凝土简支梁进行了试验研究，制取了四组共八根不 同配筋率混凝土简支梁试件，对试件进行三分点静载试验并测取数据。试验研究 了配筋率变化对梁体在开裂荷载和极限荷载下的挠度变化、梁体裂缝发展和破坏 模式、玻璃纤维筋晟大拉应力的影响。试验结果表明，与普通钢筋混凝土梁相比 较，玻璃纤维筋混凝土梁虽然开裂荷载较小，挠度较大，破坏模式为脆性破坏， 但可以通过增大配筋率来有效提高玻璃纤维筋混凝土粱的剐度，而且玻璃纤维筋 混凝土梁的承载能力较高，试验结果与a n s y s 计算结果能较好地吻合。 通过本文的研究，修正了钢筋混凝土梁的抗弯设计理论，得到适用于纤维筋 混凝土结构的设计理论，可为今后纤维筋混凝土结构设计提供相应的理论依据。 同时本文的试验研究成果和有限元数值分析与计算结果可以为玻璃纤维筋混凝 土构件设计规范制订提供科学的参考依据，并为实际工程设计提供了有益的建 议。 关键词：玻璃纤维筋：承载能力；a n s y s ：配筋率 兰翌堡三查兰堡圭兰竺兰兰 a b s t r a c t g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( g f r p ) i sak i n do fc o m p o s i t em a t e r i a l w i t hl i g b tw e i g h t ，h i g ht e n s i l es t r e n g t h ，c o r r o s i o na n de l e c t r om a g n e t i c r e s i s t a n c e b e c a u s eg f r pi sak i n do fe l a s t i cm a t e r i a l ，t h ec o n c r e t e s t r u c t u r er e i n f o r c e dw i t hg f r pr e b a r sc a n ts h o wy i e l dp h a s e ，t h e r ea r e m a n yc o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so nd e f l e c t i o no fs t r u c t u r ea n dt h e s t r e s sd e v e l o p m e n to fg f r pr e b a r s t h ed e s i g nt h e o r yo fb e n d i n gr e s i s t a n c e f o rt h ec o n c r e t es t r u c t u r er e i n f o r c e dw it hg f r pr e b a r sw a sr e s e a r c h e da n d p r o p o s e db yc o n s i d e r i n gt h em e c h a n i c so fm a t e r i a la n dt h ed e s i g nt h e o r y o ft h ec o n c r e t es t r u c t u r er e i n f o r c e dw i t hs t e e l t h i st h e o r yw a ss u i t a b l e f o rt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es t r u c t u r ea n dr e g u l a t i o n t h er a t i o n a l i t y o ff o r m u l u m a ew e r ev a l i d a t e db ys o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e r ea r em a n ye f f e c t so nt h el o a d i n gc a p a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo f c o n c r e t eb e a m sr e i n f o r c e dw i t hg f r fr e b a r s i tw a sc a r e f u l l yi n v e s t i g a t e d a b o u tt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tr a t l o s f o u ra n s y sm o d e l s w i t hd i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tr a t i o sw e r ee s t a b l i s h e da st h ev a l i d a t i o n o fe x p e r i m e n t i tw a sr e s e a r c h e dt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r so n c r a c k i n gl o a d ，u l t i m a t el o a d ，w r e c km o d e s t r u c t u r ed e f l e c t i o na n d t h e m a x i m a lt e n s i l es t r e s so fg f r pr e b a r s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sd e m o n s t r a t e d t h a tt h eb e a m ss h o wp r e s sw r e c ka n dt h et e n s i l es t r e s so fg f r pr e b a r sw a s c o n t r o l l a b l ei ft h er e i n f o r c e m e n tr a t i ow a sc h a n g i n gb e t w e e n1 a n d1 3 am o d e r a t er e i n f o r c e m e n tr a t i ow a sp r o p o s e df o rc o n c r e t es t r u c t u r ed e s i g n a n s y sw a se f f e c t i v ef o rs t u d y i n gt h ec o n c r e t es t r u c t u r er e i n f o r c e dw i t h 6 f r pr e b a r s as i m p l e s u p p o r t e db e a m sr e i n f o r c e dw i t hg f r pr e b a r se x p e r i m e n tw a s c a r r i e do nt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tr a t l o s o nd e f l e c t i o no fc r a c k i n gl o a da n du l t i m a t el o a d ，c r a c kd e v e l o p m e n t ，w r e c k m o d e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ，i t w a ss h o w e dt h a tt h e c o n c r e t eb e a m sr e i n f o r c e dw i t hg f r pr e b a r sh a v el o wc r a c k i n gl o a d ，h i g h s t r u c t u r ed e f l e c t i o na n db r i t t l e n e s sw r e c kc o m p a r et ot h ec o n c r e t eb e a m s u a b s t r a c t r e i n f o r c e dw i t hs t e e l b i g g e rr e i n f o r c e m e n tr a t i oc o u l db r i n gc o n c r e t e b e a m sh i g h e rs t i f f n e s sa n dh i g h e r1 0 a d i n gr e s i s t e n c e t h er e s u l t so f e x p e r i m e n ta n da n s y sw e r ev e r yc l o s e d t h ed e s i g nt h e o r yo f b e n d i n gr e s i s t e n c e f o rc o n c r e t es t r u t t u r e r e i n f o r c e dw i t hg f r pr e b a r sw a sr e s e a r c h e da n dp r o p o s e d t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t c a l c u l a t i o no f f e r e dn o to n l yf o u n d a t i o n a l r e s e a r c hf o r e n a c t i n gr e g u l a t i o n ，b u ta l s ou s e f u la d v i c e sf o rs t r u c t u r ed e s i g n k e y w o r d s ：g f r pr e b a r s ，l o a d i n gc a p a b i l i t y ，a n s y s ，r e i n f o r c e m e n tr a t i o i l l 华南理工大学硕士学位论文 i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：都占f 器 日期：知仃年b 月汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密函。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：却乒f 轸 日期：时年6 月妒日 剔磁轹嗷嗍：御多胁日 第一章鳍论 1 1 纤维增强筋简介 1 1 1 纤维增强筋的提出 第一章绪论 普通钢筋混凝土结构由于p h 值在“1 3 之间的碱性混凝土保护，具有一定 的适用性和耐久性。但是暴露在某些易受化学腐蚀或是存在大量氯离子的钢筋混 凝土结构( 例如停车场、引桥板、挡土墙、电解箱、海堤、水下建筑等) ，在湿 度、温度、二氧化碳气体、氯离子的作用下，混凝士的逐渐中性化使钢筋腐蚀， 最终导致混凝土结构失效破坏。 据有关资料介绍，美国每年因钢筋腐蚀造成的损失高达7 0 0 亿美元。美国有 关部门统计，5 0 年代前建造的桥粱大部分因钢筋腐蚀破坏严重。目前美国的近 6 0 万座桥梁中，有近l o 万座钢筋腐蚀严重。英国建造在海样及含氯化物介质的 环境中的钢筋混凝土结构，因钢筋锈蚀需要重建或更换钢筋的占三分之一以上。 在日本，由于较多地区采用海沙作为混凝土中的细骨料，钢筋锈蚀成为重要问题， 如对冲绳地区1 7 7 座桥梁和6 7 2 栋房屋的调查表明，桥面板和混凝土梁的损坏率 达到9 0 以上。 在我国，钢筋腐蚀所引起的钢筋混凝土结构的耐久性破坏是土木工程中最普 遍、最主要的问题之一。实际工程应用表明，荷载的作用和外界恶劣环境的侵蚀， 会使混凝土保护层碳化、开裂和剥落，从而使混凝土内的钢筋产生锈蚀，影响到 结构的安全。特别是近年来大气污染严重，某些地区酸雨降量剧增，使相当一部 分建筑物在设计基准期内的安全受到威胁，需要花费大量人力、物力养护维修。 钢筋锈蚀引起承载力和耐久性下降的事例随处可见。在1 9 8 1 年对华南1 8 座钢筋 混凝土码头的调查表明，尽管使用仅7 1 5 年，但有1 6 座码头的钢筋严重锈蚀； 1 9 8 4 年对浙江镇海的2 2 座中小型海工建筑物的调查表明，9 6 7 根构件中由于钢 筋锈蚀导致顺筋开裂破坏的有5 3 8 根，占构件总数的5 6 。我国既有混凝土桥 梁结构和其他工程结构目前也出现了大量劣损并面临着维修和加固费用急剧增 长的状况。京滓两地立交桥使用时间不长即出现钢筋锈蚀，需要修补甚至拆建， 维修费用甚至超过造价：1 9 9 6 年铁道部检查结果显示，全国铁路桥梁严重腐蚀 华南理工大学硕士学位论文 受损达6 0 0 0 孔，其中4 0 0 0 余孑l 承载力不足。到2 0 0 0 年我国至少已有5 0 即2 3 4 亿平方米的建筑物因结构安全度过低而面临退役的威胁。因此，如何提高钢筋混 凝土结构的耐久性，是土木工程界一直在努力解决的问题。 由于钢筋腐蚀造成危害的严重性，人们对钢筋腐蚀现象的认识以及为此进行 的科学研究、技术开发正在逐步深入。早在二十世纪六十年代，专家们己开始寻 求保护钢筋的方法。例如在钢筋表面电镀一种保护膜，但由于钢筋与锌基保护膜 之间的电解降低了抗腐蚀作用，这种方法很快失去了作用。 实际上，在混凝土中使用树脂的研究开始于二十世纪六十年代后期的聚合物 浸渍混凝土的研究。不利的是，钢筋与聚合物混凝土由于不同的热性能影响了钢 筋聚合物混凝土的性能和应用。这种情况促使人们考虑研制纤维增强筋，由此开 始了纤维增强筋在混凝土结构中的应用研究。 1 1 2 玻璃纤维筋的发展历史和国内外研究现状 与纤维增强筋的生产与应用相比，国内外对纤维增强筋及其混凝土结构的性 能研究发展迅速。欧洲于1 9 9 6 年成立了研究纤维增强筋混凝土结构的联合攻关 组织，同时设立了研究该材料及其混凝土结构性能的重大欧共体合作研究项目， 简称e u r o c r e t e ，并投入了雄厚的人力、物力。该项研究的目的是研制适宜的纤 维产品以及制定相应的纤维增强、加固混凝土结构的试验方法标准和设计施工规 程。加拿大在1 9 9 5 年成立了专门研究纤维增强、加固混凝土结构的专家委员会， 简称i s i s 。该委员会由加拿大国家研究院、著名高校和公司的有关专家组成， 采用首席专家及分项专家负责的联合攻关组，1 9 9 7 和1 9 9 8 年政府投入3 0 0 0 多 万加元用于开发新型的纤维增强产品以及研究纤维增强、加固混凝土结构的性 能。美国也成立了相应的专业委员会( a s ic o m m i t t e e4 4 0 ) 编制了纤维增强 筋及其混凝土结构的试验方法标准及设计施工规程。日本的土工工程学会( j s c e ) 等多家机构从事纤维增强筋及其应用于土木工程的研究，主要进行纤维增强产品 的研制、纤维增强筋试验方法及其混凝土构件设计方法等的研究，1 9 9 7 年j s c e 提出了连续纤维材料增强混凝土结构的设计与施工建议。 国外对g f r p 筋应用于混凝土结构的研究开始于上世纪9 0 年代初。1 9 9 3 年， b r o w n 和b a t h o l o m e w 对六根g f r p 筋混凝土梁试件进行了受弯试验。g f r p 筋作为 受拉筋只在梁底中部配了一根。试验中梁是延性破坏，其破坏强度与理论预测值 非常相近。然而，试验测得的挠度却大大超过普通钢筋梁的挠度( 前者约为后者 的4 倍) 。试验结果表明，由于g f r p 筋弹模e 较低，导致梁体裂缝数目增多、 裂缝宽度增加、挠度增大。虽然如此，研究人员认为g f r p 筋是普通钢筋的一种 很好的替代品，尤其是在比较恶劣的环境与自然条件中。 第一章绪论 1 9 9 8 年，m i c h a l u k 对八块单向板进行了静载试验，在这八块单向板中，五 块的受力筋配为g f r p 筋，一块配为c f r p 筋，其余两块配为普通钢筋。研究人员 通过静载试验对试件的抗弯和抗剪性能、开裂模式、最大荷载和破坏模式进行研 究。研究发现，配g f r p 筋的试件承载时变形较大，因而对结构的最终破坏提供 了足够的预警，而没有配f r p 筋的试件的破坏模式是受力筋屈服，但配了f r p 筋 的试件在最终破坏时，f r p 筋的强度没达到其抗拉强度，研究人员观察到这一现 象，但没对其进行深入研究。n ， 2 0 0 0 年，h a s s a n 对两块几何尺寸和边界条件一致的桥面板进行了静载试验。 其中一块桥面板用c f r p 筋作为增强材料，另一块用g f r p 筋和普通钢筋共同增强。 在试验中，两个试件都是受剪破坏，但由于钢筋的抗剪贡献，同时配有g f r p 筋 和普通钢筋的试件其抗剪能力较强。1 2 0 0 1 年，b r a d b e r r y 基于本人的研究对g f r p 筋用于混凝土结构设计提出了 一些建议。由于g f r p 筋呈脆性破坏，应力一一应变曲线没有屈服点，因而g f r p 筋用于混凝土结构时需超筋设计，以确保破坏模式为混凝土受压破坏，避免g f r p 筋的突然脆性断裂引致的结构突发失效和破坏。“1 在我国，纤维增强材料在土木工程中应用的基础研究己引起科研工作者的极 大兴趣，尤其是得到了国家自然科学基金委员会、科技部、教育部、许多省部市 科技主管部门，以及一些具有远见卓识的企业家的关注、资助和支持，使我国在 该领域的基础研究从开始就沿着“高起点发展，高水平推进，高效益应用”的方 针迅速发展。 1 9 9 8 年，华南理工大学的刘逸平等通过试验研究发现，纤维筋的夹持方法 非常重要，夹持方法的不同对其破坏影响很大。同时，利用荷载距离加权局部分 配法则和破坏柱元的概念，运用统计理论计算了纤维筋棒的破坏强度。3 1 9 9 9 年，薛韦辰和康清梁根据9 根梁在三分点竖向加载下的试验结果，对 纤维筋混凝土梁的受力过程、正截面强度、最大裂缝宽度、裂缝间距、挠度等进 行了研究，得出了有关的设计建议。“1 2 0 0 1 年，同济大学的杨正光等提出了一种结构混杂的工艺制造玻璃纤维筋， 以改善材料的脆性，并对其进行了拉伸和破坏试验。试验结果表明，结构混杂玻 璃纤维筋的拉伸一应变曲线呈现双线性特性。” 2 0 0 1 年，郑州大学的高丹盈通过6 2 根玻璃纤维筋混凝土梁和钢筋混凝土梁 的弯曲试验，探讨了玻璃纤维筋混凝土梁的正截面受力性能。研究结果表明当配 筋率在平衡配筋率和弯剪界限配筋率之间变化时，玻璃纤维筋混凝土梁的抗弯承 载力随着配筋率的增大而增加。建议了适合于玻璃纤维筋混凝土梁特点的裂缝宽 度和挠度计算方法。0 3 2 0 0 2 年，上海师范大学的王增忠利用粱的有效惯性矩，将玻璃纤维筋配筋 华南理工大学硕士学位论文 率和弹性模量的影响在b r a n s o n 公式的m 系数中集中得以体现，提出了玻璃纤维 筋混凝土梁挠度的计算方法，并基于己有的研究成果，给出了玻璃纤维筋混凝土 梁裂缝宽度的理论计算公式，且与6 根不同配筋率的玻璃纤维筋混凝土梁的试验 结果相比较。一1 2 0 0 3 年，同济大学的李文晓等在试验研究的基础上，运用解析的方法对拉 伸性能呈明显的双线性的新型玻璃纤维筋的力学性能进行了理论预测，建立了一 套预测缠绕延性筋的拉伸性能的理论方法。” 2 0 0 3 年，同济大学的薛韦辰在国内首次对新型玻璃纤维筋有粘结与无粘结 预应力混凝土梁的受力过程、破坏形态、预应力筋应力损失、正截面抗裂度以及 正截面承载力等受力性能进行了非线性有限元分析，程序设计采用有限元分析中 常用的杆系模型进行分析，并采取了将单元物理方程( 即肛肛西关系) 直接用 材料本构关系来表达的方式，避免了单元肛舻驴关系的模型化处理。1 2 0 0 3 年，同济大学的薛韦辰基于拉拔和梁式试验，探讨了这两种试验方法 对玻璃纤维筋与不同种类混凝土之间粘结强度的影响。研究表明，梁式试验的玻 璃纤维筋粘结强度稍低于拉拔试验的结果，而混凝土强度等级以及是否掺加聚丙 烯纤维对玻璃纤维筋的粘结强度影响较小。” 2 0 0 3 年，江苏省城市规划设计院的张雪忠等参照研究预应力钢筋混凝土梁 受弯性能的试验方法，对预应力玻璃纤维筋混凝土梁的受弯性能进行了研究，得 出了预应力玻璃纤维筋混凝土梁的荷载一挠度曲线。“” 但从总体上看，目前国内外对纤维增强筋混凝土结构的研究存在着以下几方 面不足：纤维增强筋的预应力锚固体系问题。现有的锚具多为填充树脂型，需 专门定制生产，成本较高，施工复杂，且质量不太稳定；“”没有引入与现代结 构工程基本理论与设计方法相衔接的延性设计思想，对脆性破坏的纤维增强筋增 强混凝土结构没有给出明确的、控制结构设计的延性指标；“”试验工况多为单 调荷载，疲劳荷载、长期荷载、地震荷载等工况的研究很少；对纤维增强筋混 凝土结构的受力机理和理论建模方面的研究有待进一步深入。“” 从以上所述可知，国内对于纤维增强筋应用于混凝土结构中的研究剐刚起 步，纤维增强筋混凝土结构的设计理论尚未建立。没有设计理论作指导，纤维增 强筋就不能广泛地应用于工程建设，它相对于普通钢筋的优势也就无法得以体现 和利用，也必然导致我国在树脂基复合材料的研究开发方面落后于世界的先进水 平。因此，必须对纤维增强筋及其混凝土构件进行深入研究，结合现代钢筋混凝 土结构设计理论，制定出适合我国国情的纤维增强筋混凝土结构设计规范。 4 第一章绪论 1 1 3 玻璃纤维筋的组分 玻璃纤维筋是一种是以纤维( 如玻璃纤维、碳纤维、聚芳基酰胺纤维等) 为 增强材料，以合成树脂( 如不饱和聚酯树酯、环氧树脂、乙烯基树脂) 为基体材 料，并掺入适量辅助剂( 如交联单体、引发剂、促进剂、蚀变剂、阻燃剂、阴聚 剂、填料、颜料等) 经拉挤工艺和特殊的表面处理形成的一种新型复合材料。其 主要成分为玻璃纤维丝和热固树脂矩阵，玻璃纤维丝具有很高的抗拉强度和弹性 模量( 弹性模量比钢筋要低) ，为主要承载材料；树脂是粘合材料，它把纤维丝 聚在一起以阻止其相对滑动，同时也对纤维丝起保护作用，并使g f r p 筋具有空 间稳定性。 1 1 4 玻璃纤维筋的基本物理力学性能 玻璃纤维是一种非结晶型的无机纤维材料，不燃烧、伸长率和线膨胀系数小， 一般除氢氟酸和热浓强碱外，能抵抗许多介质的腐蚀；玻璃纤维的比表面积大， 直径为5 9 l a i n 的纤维比表面积达0 2 0 5 5 9 m ；玻璃纤维的表面e hs i o h 基 团覆盖，可以同其它材料( 如树脂等) 相结合；玻璃纤维的强度非常高，直径为 8 1 0 l a m 的玻璃纤维，拉伸强度高达1 8 2 5 x1 0 2 m p a ：玻璃纤维能耐高温，软 化点在6 0 0 。c 以上。玻璃纤维是纤维增强筋中最常用的增强纤维。 1 抗拉、抗压强度 玻璃纤维筋具有比钢筋更高的抗拉强度。通常钢筋的抗拉强度为2 0 0 6 0 0 m p a ，而g f r p 筋为5 0 0 1 2 0 0 m p a 。研究表明，玻璃纤维筋的抗拉强度随其直 径的增大而减小，这是因为直径的增大会使纤维之间的剪力滞后，纤维筋中靠近 轴心处纤维丝的拉应力比远离轴心处的纤维丝要小。 玻璃纤维筋中的承重材料为玻璃纤维丝，因而玻璃纤维丝在纤维筋中所占的 体积分数将对其抗拉强度起决定性的影响，甚至对具有同种直径、同样表面变形、 同样组成成分的纤维筋，因纤维丝所占体积的不同，其抗拉强度和刚度也可能有 很大差异。 在高温的影响方面，虽然玻璃纤维丝对于温度的变化不是很敏感，但过高的 温度却能使聚酯树脂软化，使纤维筋软化的温度称为玻璃转变温度。由实验结果 知，在1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 的高温下，玻璃纤维筋抗拉强度的减少量 分别达3 0 、4 5 、6 0 和7 0 。 玻璃纤维筋的抗压强度比抗拉强度小，约为其4 0 6 0 ，且抗拉强度大 华南理工大学硕士学位论文 的纤维筋抗压强度也大，一般不将玻璃纤维筋用于抗压构件。 2 剪切强度 玻璃纤维筋的剪切强度主要取决于树脂性能，所以其剪切强度往往很低。 例如玻璃纤维筋的剪切强度仅为极限抗拉强度的2 6 ，可用普通的锯在垂直于 纵轴方向很容易地锯开。可以通过调整玻璃纤维筋的方向使其利用轴向拉力来抵 抗剪切荷载。 3 弯曲强度 纤维筋可以用热固性树脂或热塑性树脂制成。热固性树脂由于它们的分子结 构在受热时会分解，因此这种树脂制成的纤维筋不能弯曲。用热塑性树脂制成的 纤维筋可以通过加热、加压来弯曲。根据日本土木协会设计准则( 1 9 9 7 ) ，在受 弯时引入一个强度损失因子。纤维筋弯曲部分的强度 。取决于弯曲部分曲率半 径与纤维筋直径的比值，如式( 卜1 ) 所示。 乃 = ( o 0 5 x + o 3 ) 允s 厶 ( 1 _ 1 ) “6 式中，是纤维筋的内弯曲半径，吮是纤维筋的名义直径， 是直径部分 的设计强度。有关试验结果表明，式( 卜1 ) 给出的结果是保守的。为了精确确 定纤维筋在弯曲时的强度损失，应该按照有关规程的测试方法实测确定。 4 弹性模量 钢筋为弹塑性材料，具有屈服强度，且通常取其屈服强度作为设计强度的依 据。玻璃纤维筋则不同，它是线弹性材料，没有屈服点，应变随应力的增加而不 断增加，直至破坏，破坏形式为脆性破坏。根据有关规范，我们仿照没有明显屈 服台阶的钢筋，近似取屈服强度标准值为它的极限抗拉强度标准值的8 0 。钢筋 的抗拉弹性模量约为1 8 0 2 1 0 g p a ，玻璃纤维筋的抗拉弹性模量远低于钢筋，一 般为4 0 5 5 g p a ，约为钢筋的1 4 。 抗压弹性模量小于抗拉弹性模量。例如对尼龙酯或以酞树脂基体中含5 5 到 6 0 体积率连续e 一玻璃纤维的试件的测试结果是抗压弹性模量在3 4 到4 8 g p a 之间。 另外，超过玻璃转变温度的高温会因引起分子结构的变化以致使玻璃纤维筋 的弹性模量明显降低。 5 电、磁绝缘性 玻璃纤维筋是由玻璃纤维丝与树脂材料组成的复合材料，具有良好的电、磁 绝缘性，不会影响磁场及电磁波，极适合于需考虑电、磁影响而不能使用钢筋的 混凝土构件，如医院的核磁共振疗室、能躲避雷达搜索的军事建筑、飞机无线电 及罗盘校准垫、高压电缆及变电站附近的混凝土结构等等。“7 1 6 耐久性 6 第一章绪论 玻璃纤维筋对氯离子及其它化学腐蚀具有很好的抵抗能力。在很容易使钢筋 老化、锈蚀的低p h 值环境中，玻璃纤维筋能不受影响地工作。因此，在某些易 受化学腐蚀或是存在大量氯离子的环境中如停车场、引桥板、挡土墙、电解箱、 海堤、水下建筑等，玻璃纤维筋将是替代普通钢筋的一个很好的选择。 至于玻璃纤维筋在水泥基体中存在的侵蚀和脆化问题，前文已提到通过提高 玻璃纤维材料的抗碱侵蚀能力和对基体材料进行改进可以很好地予以解决。典型 的波兰特水泥倒入水后呈碱性，p h 值约为1 3 ( 理论上任何水通过混凝土形成氢 氧化物都会产生一个较高的可能加速钢筋老化的p h 值) ，因此，一些国际研究 团体曾将玻璃纤维筋置于p h 值为1 3 的碱性溶液中并提高温度以模仿5 0 年的实 际环境。对其进行加速老化的浸浴式实验，以研究玻璃纤维筋的耐久性，结果表 明加速老化后的玻璃纤维筋的抗拉性能下降了l 6 ，弹性模量改变了4 ，这对 于一般建筑结构而言是可以接受的。 7 热膨胀性 纤维筋增强混凝土本身是一种复合材料，其中纤维筋是增强介质，混凝土是 基体。因此，为了使混凝土和增强筋的变形差最小，这两种材料在热应力下的性 能必须接近。混凝土的热胀系数在6 1 0 “到l l l o “c 之间，通常看作是各向 同性的。纤维增强塑料筋的纵向和横向系数不同，与纤维、树脂的类型、纤维的 体积率有关。表卜1 列出了具有代表性的纤维筋和钢筋的纵向、横向热胀系数。 r i8 1 表卜1 纤维筋的热胀系数( l o “。c ) t a b 1 一lt e m p e r a t u r ee x p a n dq u o t i e t yo ff r pr e b a r s 方向钢筋6 f r p 筋c f r p 筋a f r p 筋 纵向 1 1 _ 76 l ol o一2 一6 横向 1 1 7 2 l 2 32 2 2 36 0 8 0 8 徐变和徐变破坏 玻璃纤维具有优良的抗徐变性能，但是大多数的树脂并不是这样的。纤维在 复合材料中的方向和体积率对纤维筋的徐变特性影响很大。有关研究表明由于徐 变引起的玻璃纤维筋的应变值仅是初始弹性应变的3 。 在不利的环境条件下，受恒载作用的纤维筋可能在一段时间后发生突然破 坏，这段时间叫持续时间，这一现象叫徐变破坏，存在于几乎所有的结构材料中。 随着持续拉应力与纤维筋短期强度的比值的提高，持续时间会降低。有人对不同 横断面的玻璃纤维筋进行了徐变破坏试验，研究结果表明，当持续应力限制在 6 0 短期强度以内，徐变破坏不会发生。 在室温下把相当与5 0 极限强度的短期( 4 8 小时) 和长期( 1 年) 持续荷 载加在玻璃纤维筋和碳纤维筋上，试件几乎没有发生徐变，抗拉弹性模量和极限 7 华南理工大学硕士学位论文 强度变化不大。 对大多数纤维筋混凝土结构，因为纤维筋中持续应力低，基于考虑徐变破坏 的应力限制并不重要。应当注意，环境因素( 例如湿度和温度) 会影响徐变性能， 可能使持续时间变短。 9 疲劳性能 纤维筋有很好的抗疲劳性能。在这方面的研究大多集中在高性能纤维上( 如 芳纶纤维和石墨纤维) ，因为其在航空领域的应用中受到拉一拉荷载重复作用。 在荷载重复作用下的测试结果表明，在低应力比下，石墨纤维环氧树脂筋的疲 劳强度比钢筋高，而玻璃纤维筋的疲劳性能比钢筋低( s c h w a r z1 9 9 2 ) 。其他的 研究( p o r t e r 等，1 9 9 3 ) 中，玻璃纤维筋受到l 千万次循环剪切荷载作用，结 果表明其有良好的抗疲劳性。另一项研究中玻璃纤维预应力筋承受循环荷载作 用，其最大应力为4 9 6 m p a ，应力范围是3 4 5 m p a 。该筋在锚固区发生破坏前能承 受4 百万次以上的加载循环( f r a n k e1 9 8 1 ) 。 影响纤维筋力学特性的因素很多，例如温度，湿度，荷载作用时间，紫外线 作用和腐蚀等。如在潮湿的环境中，纤维筋吸收过量的水分后强度和刚度会大大 降低，树脂的特性发生改变，纤维筋膨胀和翘曲，因此最好选用具有抗潮湿性的 树脂。在寒冷地区还要考虑冻融循环作用的影响。纤维筋尽管有很好的抗腐蚀性， 但在特定的环境中也会破坏，必须根据具体情况选取适宜的材料。例如，混凝土 在刚浇注时就是碱性的，这时可利用耐碱玻璃纤维。“” 1 0 其它性质 玻璃纤维筋的重量轻，仅为钢筋的1 4 ，这有利于玻璃纤维筋的运输和安装， 但由于重量轻，在振动浇捣时玻璃纤维筋很可能会“浮”在混凝土中，因而安装 时应注意绑扎固定纤维筋笼。 1 2 选题背景和本论文的主要工作 1 2 1 选题背景 尽管在混凝土中应用纤维增强筋的研究很早就开始了，但对这种材料在混凝 土中的商业化应用直到二十世纪七十年代后期才得至4 认可。为了确定这种复合材 料筋是否是对环氧树脂保护膜钢筋的改进，国外也进行了大量的认真细致的比较 研究。二十世纪八十年代早期，北美的另一家拉挤产品生产公司一一国际格材生 产公司，认识到这种产品的开发潜力也进入了纤维增强复合建筑材料行业。与此 同时，目本、欧洲等对纤维增强复合建筑材料( 如筋材、板材、格栅材等) 的研 第一章绪论 究、开发与应用也蓬勃开展。 玻璃纤维产品是一种性能优异的无机非金属材料，是现代材料家族中的重要 一员，也是高新技术不可缺少的配套基础材料。它不仅具有不易燃烧、耐高温、 电绝缘、拉伸强度高、化学稳定性好等优良性能，还可以采用有机被覆处理技术 来进行制品深加工及扩大制品的应用领域。由于该材料具有许多优异的性能，再 加上桥梁、近海建筑物、临水设施、土壤加劲材料的日益增加，可以断言，纤维 筋棒及其增强混凝土结构将得到广泛的应用。” 不过，尽管玻璃纤维筋有以上诸多优点，但将其用于增强混凝土的进展仍然 较为缓慢。原因之一来自材料本身，即f r p 材料为线弹性材料，其拉伸特性呈线 性上升至断裂的脆性破坏模式不能很好地符合结构的延性要求。而材料的延性是 结构安全上的需要，一方面，它使结构在达到最大承载力前，能够承受较大的变 形，另一方面，它使结构在彻底破坏前有足够长的变形预警阶段。因而纤维增强 筋良好的延性对于建筑结构安全的重要性是不可或缺的，目前这方面的研究工作 还处于探索阶段。另一个重要原因在于缺乏足够的工程经验，对钢筋混凝土结构 设计理论进行修正使其适用于g f r p 筋增强混凝土结构的研究还不够充分，这也 是今后研究工作的一个重点。 1 2 2 本文的主要工作 本论文的主要工作有，对玻璃纤维筋混凝土梁的抗弯设计理论进行了修正， 得到适用于纤维筋混凝土结构的设计理论：进行了玻璃纤维筋混凝土简支梁弯曲 静载试验，并结合有限元a n s y s 程序对粱体进行数值分析与计算：具体可分为以 下几部分： 第一部分为绪论，即第一章，概述了玻璃纤维筋在国内外的发展状况以及目 前在工程上的应用；综述了国内外的玻璃纤维筋及玻璃纤维筋混凝土结构研究状 况；阐明了本论文的研究目的和意义，概述本论文的主要研究内容。 第二部分通过对普通钢筋混凝土梁的抗弯设计理论进行修正，探讨了适合于 玻璃纤维筋混凝土梁特点的抗裂度、抗弯承载力的计算方法，得到适用于纤维筋 混凝土结构的设计理论。并通过已有试验数据进行了算例验证。 第三部分简要介绍有限元程序a n s y s 软件对混凝土的计算功能，通过已有试 验验证了其对玻璃纤维筋混凝土梁的可行性。并对本文研究的梁体进行仿真模拟 计算，得到梁体承载全过程的一些重要规律。 第四部分详细玻璃纤维筋混凝土梁的试验。对试件的组成材料的力学性能参 数的测定；并按照设定的试验条件和方法分别对4 组玻璃纤维筋混凝土梁共8 根 进行静载试验，记录从加载到破坏的全过程玻璃纤维筋筋和混凝土的应变以及梁 9 华南理工大学硕士学位论文 整体挠度的数据，并分析了玻璃纤维筋的受力特点和不同配筋率的梁体的抗裂 度、承载能力和破坏模式。 第五部分为本文的结论，对整篇论文主要研究成果做出总结，同时还将进一 步指出今后在本研究方向进行的研究工作展望和设想。 1 0 第二章纤维筋混凝土梁抗裂度和承载力计算方法 第二章纤维筋混凝土梁抗裂度和承载力计算方法 2 1 正截面抗裂度的计算 2 1 1 概述 纤维筋混凝土梁的正截面抗裂度是衡量其抗弯性能的重要指标，也是纤维筋 混凝土梁裂缝宽度、挠度以及预应力纤维筋混凝土梁力学性能计算的主要参数。 到目前为止，国内外己对钢筋混凝土梁正截面抗裂度进行了大量的试验研究，相 应的计算方法和计算公式也早入我国的相关规范。但是，纤维筋混凝土梁正截面 抗裂度的计算方法还较少，相应的计算公式也未列入规程。本论文结合钢筋混凝 土梁正截面抗裂度的计算方法，推导出相应的计算公式，初步探讨了适合于玻璃 纤维筋混凝土梁特点的抗裂度、抗弯承载力的计算方法。 2 1 2 开裂弯矩m 。计算思路 定义纤维筋混凝土梁正截面即将开裂时承担的弯矩为开裂弯矩。此时梁的受 拉区呈现明显的塑性性能，应力分布为曲线型，最大应力达到混凝土的抗拉强度； 梁受压区应力分布则为弹性分布，见图2 一l ( a ) 。开裂弯矩的计算式为： m 。= m ，+ m c = z 形 ( 2 1 ) 为了计算方便，本文利用材料力学方法建立纤维筋混凝土梁开裂弯矩的计算 公式，即采用塑性系数，。考虑混凝土受拉区弹塑性发展程度，用弹性应力图代 替弹塑性应力图的方法。此时截面应力呈线性分布，受拉边缘应力为，。，见图 2 - 1 ( b ) 。帆，的计算公式为： ， m 。= ，z = y ，z 二生( 2 - - 2 ) ，r 式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 中， m 一纤维筋混凝土梁的开裂弯矩； m ，：纤维筋承担的弯矩； 肼，：混凝土承担的弯矩： z ：混凝土的峰值拉应力，取z = 0 2 6 f = 2 ”，厶2 告，为混凝土的圆柱体抗压 华南理工大学硕士学位论文 强度； 肜：考虑混凝土受拉区素性变形影响的纤维筋混凝土梁截面的弹塑性抵抗矩； ：截面抵抗矩塑性系数； ：将纤维筋折算为混凝土后换算截面对受拉边缘的弹性抵抗矩； l ：换算截面惯性矩； 儿：混凝土受拉边缘到中性轴的距离。 由上两式可得： 2嚣(2-3) 因此，若得到了塑性系数，就可以利用式( 2 - - 2 ) 采用简便的材料力学方 法计算开裂弯矩m c 。 d 4r f 图2 - 1 ( a ) 即将开裂截面应力应变分布 f i g 2 - i ( a ) c o n c r e t es t r e s s - s t r a i no fp r e - c r a c k 厂广_ 7 r 7 少 一一十_ 一一仃一 虬 爿l ，厂、爿l 7 仁j1 只 l 厶一l l 二一l 【：u 图2 一l ( b ) 换算截面及其应力分布 f i g 2 - 1 ( b ) s t r a i nd i s t r i b u t i o no fc o n v e r s i o ns e c t i o n 第二章纤维筋混凝土梁抗裂度和承载力计算方法 2 1 3 开裂弯矩m 。，的计算方法 本文采用文献 2 1 如图2 2 所示的混凝土受拉应力应变关系，其表达式为： 吲0 占- - b t o o t o p p 盯= f ( 1 一口二二2 l )to占氐(2-4) 6 m g , o 式中， ：对应于z 的混凝土峰值拉应变； ：混凝土极限拉应变。 按照图2 2 所示的混凝土受拉应力应变关系，纤维筋混凝土梁开裂时截面的 应力分布图见图2 一l 。 l 坷 f j 、 l 、竺 一 图2 - 2 混凝土拉伸应力应变关系 f i g 2 - 2c u r v eo fc o n c r e t es r e s s s t r a i n l 受压区高度 由图2 1 a 开裂截面的应力应变分布，得受压区距中性轴y 处的混凝土应力 仃为：盯：掣y ：4 y ( 2 - 5 ) 月一x 0 n x 0 式中，y = 气6 , o 。 受压区混凝土合力d 为： 。= r 咖= f 寿砂= 监2 ( h - x o ) 同理，可得受拉区上半部混凝土合力7 i 和下半部混凝土合力疋： z ：b f , ( h - x o ) 上 ， ( 2 6 ) ( 2 7 ) 兰要垩三查兰竺圭兰竺堕兰 l ：b f , ( h - x o ) ( 2 - a ) ( r - t ) ( 2 8 ) 2 r 纤维筋应变为： 勺地训去= 畿哥 ( z 卅) 受拉纤维筋拉力n 为： 。1 4 = e ：历姒( h o - x 广0 ) a 刮，纷等z ( 2 - - 1 0 ) 式中，h ，= e ，e 。；为梁截面有效高度：a 为纤维筋横截面面积；e 为 纤维筋的弹性模量；e c 为混凝土的初始弹性模量。 由静力平衡条件d = 五+ 疋+ 0 得到确定中性轴高度的方程： 而b r c ；f , 2 ( h = 竖2 监7 + 堑业2 幽y + - ，譬hx o z ( 2 _ l l a ) 一z n ) 。 一 解得：生尝丝( 2 - l l b ) 式中，a = 7 2 - 1 十( 2 一口) 驴柚1 ：曰= 2 1 1 + ( 2 一酬，_ 1 ) k + 吾v 2 c = 一【l 十( 2 刊( 川) k 2 一吾一，2 一，。 2