新型BFRP加筋混凝土梁抗弯性能有限元分析

目的研究BFRP作为混凝土结构增强材料替代钢筋的设计与应用.方法根据BFRP筋的力学特性,结合钢筋混凝土受弯构件的基本理论,基于有限元结构计算方法,借助AD INA计算机程序对BFRP加筋混凝土简支梁抗弯性能进行有限元分析.结果BFRP加筋混凝土梁荷载-挠度实测与模拟曲线整体走势基本相同;相同荷载时模拟挠度值普遍比实测值大,输入的各项参数均为规范值,说明规范中所给值略为保守;BFRP加筋混凝土梁N2/N1值为1.17、1.16、1.12.结论建议制造出更好的非剥离BFRP筋,使之与混凝土之间有足够的粘结强度.由于BFRP筋弹性模量较小对实际工程是不利的,建议设计时作为预应力筋使用.

BFRP筋珊瑚混凝土梁抗弯试验与数值模拟

通过试验研究不同配筋率的BFRP筋珊瑚(普通)混凝土梁的抗弯性能,分析了试件的破坏形态、承载力、挠度和BFRP筋应变并利用ANSYS软件建立了精细化有限元模型进行数值模拟。结果表明,试件的破坏形态包括弯曲破坏和剪切破坏,相同配筋率的两种混凝土梁开裂、极限荷载相近;增大配筋率,BFRP筋珊瑚混凝土梁的极限荷载增大,跨中挠度减小;所有试件的开裂荷载为15~20kN,大约是极限荷载的10%;数值模拟结果与试验结果吻合较好。

考虑骨料粒径影响的BFRP筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应

粗骨料是混凝土材料的组成之一,其粒径变化会影响混凝土梁中骨料咬合作用对抗剪承载力的贡献。为了系统地考虑最大粗骨料粒径对玄武岩纤维增强聚合物(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)筋无腹筋混凝土梁剪切破坏的影响,采用细观尺度数值模拟方法,建立BFRP筋无腹筋混凝土梁数值模型,模拟分析构件尺寸和粗骨料粒径对BFRP筋混凝土梁剪切破坏模式和抗剪强度的影响规律。结果表明:BFRP筋无腹筋混凝土梁的抗剪强度存在尺寸效应,同时,随着最大粗骨料粒径的增大,BFRP筋混凝土梁的抗剪承载力提高,梁的剪切尺寸效应被削弱。根据最大粗骨料粒径的影响机制与规律,结合断裂力学尺寸效应律,建立了BFRP筋混凝土梁抗剪强度尺寸效应理论公式,并与模拟结果和试验数据进行对比,验证了公式的准确性和合理性。

BFRP筋混凝土深梁动态剪切破坏尺寸效应模拟

为研究玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋混凝土深梁动态剪切破坏机制及其尺寸效应规律,考虑混凝土非均质性、混凝土/BFRP筋相互作用以及混凝土和BFRP筋在材料层面的应变率效应,建立了BFRP筋混凝土深梁细观尺度三维数值模型。利用已有的试验数据验证了该数值模拟方法的合理性和准确性,采用该方法研究了不同尺寸但几何相似的BFRP筋混凝土深梁在不同应变率下的剪切破坏模式及失效机制。分析了截面尺寸、配箍率、应变率对BFRP筋混凝土深梁剪切破坏及相应尺寸效应规律的影响。结果表明:动载下梁的破坏模式与静载时存在较大差异,但均表现出尺寸效应;增大应变率及配箍率均能有效提高梁承载力且削弱剪切尺寸效应,但应变率的作用程度明显大于配箍率。

增强箍筋区域约束BFRP筋混凝土梁的抗弯性能试验研究

将区域约束技术应用到BFRP筋混凝土梁中,并尝试利用增强的矩形螺旋BFRP箍筋约束受压区混凝土以增强受压区混凝土延性,对四根配置不同箍筋的区域约束BFRP筋混凝土梁进行抗弯性能试验。结果表明:区域约束BFRP筋混凝土梁比BFRP筋普通混凝土梁具有更高的承载能力和变形能力;通过增强的箍筋约束受压区混凝土,可以大大增加受压混凝土的抗压延性,使得使用脆性BFRP筋的混凝土梁也可以具有优良的延性性能。

BFRP筋局部钢纤维混凝土梁斜截面抗剪性能试验研究

为了研究BFRP筋钢纤维混凝土梁斜截面的抗剪性能,以BFRP筋钢纤维混凝土梁为研究对象,开展了9根BFRP筋钢纤维混凝土梁的斜截面抗剪承载力试验,分析了试验构件的破坏形态,探讨了剪跨比、BFRP筋配筋率、钢纤维体积掺量、钢纤维范围等参数对BFRP筋钢纤维混凝土梁抗剪性能的影响。结果表明,BFRP筋钢纤维混凝土梁的破坏形态以剪切破坏为主;试验梁的斜截面抗剪承载力随着剪跨比的增大而下降,随着纤维掺量和BFRP筋配筋率的增大而提高;支座以内剪跨范围设置钢纤维能够较好地改善BFRP筋混凝土梁的斜截面抗剪性能。最后,由试验数据拟合得到BFRP筋钢纤维混凝土梁斜截面抗剪承载力计算公式,公式计算值与试验结果吻合较好。研究丰富了FRP筋混凝土复合结构斜截面设计理论,对FRP筋钢纤维混凝土复合结构在实际工程的应用具有参考价值。

BFRP筋和钢筋组合配筋混凝土梁受剪性能

由于纤维增强复合材料(FRP)筋优异的耐腐蚀性,使用其代替钢筋对混凝土进行补强可以从根本上解决由于钢筋锈蚀引起的耐久性问题,但目前在FRP筋混凝土构件或结构的力学性能评价上尚存在诸多亟待解决的课题。本文通过采用玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋和钢筋组合配筋的形式对补强筋的弹性模量和配筋率对混凝土梁受剪性能的影响开展试验研究,并基于试验结果对FRP筋混凝土梁受剪承载力的各国规范评价公式的评价精度进行验证分析,为合理评价FRP筋混凝土结构力学性能积累基础研究数据,提供理论支撑。

BFRP筋增强螺旋箍筋区域约束混凝土梁的抗剪性能试验研究

FRP筋可有效解决普通混凝土梁中的钢筋锈蚀问题,但是FRP筋混凝土梁的剪切破坏是脆性破坏,抗剪延性小。本文将区域约束技术应用到BFRP筋混凝土梁中,利用BFRP增强箍筋对剪压区混凝土进行约束。通过进行1根空白梁与4根约束梁的抗剪对比试验,研究约束螺旋箍筋的配箍率、剪跨比等因素对梁的极限荷载、破坏形态、延性的影响规律。研究显示在剪压区采用区域约束箍筋后,梁的抗剪延性得到明显改善,并且改变了梁的破坏形态,抗剪承载力随着剪跨比的提高而下降。

初始静载对不同剪跨比BFRP筋混凝土梁动态剪切性能的影响

为揭示初始静载对玄武岩纤维增强(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋混凝土(BFRP-RC)梁动态剪切性能的影响,建立了考虑混凝土非均质性、混凝土与BFRP筋间相互作用及各材料应变率效应的三维细观数值模型。在验证了该模拟方法合理性与准确性的基础上,分析了初始静载对不同剪跨比BFRP-RC梁破坏过程与失效机制的影响。研究结果表明:BFRP-RC梁的抗剪承载力及变形能力均随应变率增大而提高;应变率对梁抗剪承载力的增强作用随剪跨比增大而减弱;在峰值荷载前应变率突增,BFRP-RC梁的刚度增加,抗剪承载力提高;在峰后软化段应变率突增,BFRP-RC梁的峰后软化转变为峰后硬化,而后出现第二峰值荷载;BFRP筋混凝土梁的动态抗剪承载力均随初始静载增大而降低,但梁抗剪承载力的降低量是否与后续应变率有关取决于初始静载水平;在各应变率下,BFRP筋混凝土梁的变形能力及损伤程度均随初始静载的增大而减小,但增大后续应变率会削弱初始静载对梁动态性能的影响。

BFRP筋增强海水海砂混凝土梁的抗冲击性能

为研究玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋增强海水海砂混凝土(seawater sea-sand concrete,SSC)梁的抗冲击性能,利用落锤冲击装置研究了不同冲击能量(1818 J,2727 J,3636 J,4848 J)作用下,不同混凝土强度(30 MPa,50 MPa)和配筋率(0.23%,0.48%)的BSFP-SSC梁冲击响应,并测试了冲击后梁的残余承载力。结果表明,随着冲击能量的增加,BFRP-SSC梁的破坏模式由弯曲破坏转变为剪切破坏,梁的残余承载力系数逐渐降低。提高配筋率或海水海砂混凝土强度,均可有效降低梁的最大跨中位移,提升初始峰值冲击力和抗冲击性能。该研究可为BFRP筋增强海水海砂混凝土梁的抗冲击设计提供重要依据。

BFRP布加固损伤钢筋混凝土短梁的抗弯性能研究

通过对3根试件进行抗弯性能试验,研究了普通RC短梁、BFRP布加固未损伤及损伤钢筋混凝土短梁的破坏形态、材料应变、受弯承载力等变化规律。结果表明:BFRP布加固未损伤及损伤RC短梁的极限破坏模式一致,均为BFRP布先被拉断,受压区混凝土未被压碎;与普通RC短梁一致,加固后的试件跨中截面混凝土应变均近似符合平截面假定;BFRP布加固损伤RC短梁的荷载-挠度曲线不存在开裂阶段,且加固后,损伤RC短梁的极限承载力比未损伤RC短梁和普通RC短梁的极限承载力稍高;BFRP布加固未损伤RC短梁可提高试件刚度,降低试件延性;BFRP布加固损伤RC短梁也可提高试件刚度,但不会降低试件延性。

BFRP筋部分钢纤维增强混凝土梁挠度研究

通过6根BFRP筋混凝土梁短期荷载作用下的四点弯曲试验,研究了钢纤维掺入率与钢纤维混凝土层高度对裂缝宽度、挠度以及裂缝闭合性能的影响,并对裂缝宽度、挠度以及卸载后裂缝闭性能进行了分析。研究结果表明:试验梁在极限荷载作用下,相同钢纤维掺入率下的BFRP筋部分钢纤维与全截面钢纤维增强混凝土梁所呈现出的裂缝宽度较为相近;试验梁在卸载后裂缝出现闭合,随着掺入率与钢纤维混凝土层高度的增加,裂缝的闭合性能越显著;在正常使用状态下,随着钢纤维掺入率与钢纤维混凝土层高度的增加,BFRP筋混凝土梁的抗弯性能提高明显。基于试验数据,通过修正梁截面有效惯性矩,提出适用于钢纤维作用下的BFRP筋混凝土梁的挠度计算公式,利用该计算公式得到的计算结果与试验结果进行对比,吻合效果较好。

BFRP筋再生混凝土无腹筋深梁抗剪承载力

为研究BFRP筋再生混凝土无腹筋深梁抗剪承载力,完成了9根集中荷载作用下的BFRP筋再生混凝土无腹筋深梁的抗剪试验,分析了深梁的破坏过程、破坏形态及剪跨比、BFRP筋配筋率、再生混凝土抗压强度对梁抗剪承载力的影响,并基于加拿大规范和试验数据拟合出了BFRP筋再生混凝土无腹筋深梁抗剪承载力计算公式。结果表明:BFRP筋再生混凝土深梁主要发生剪切破坏,随剪跨比增大,破坏形式由剪切破坏向弯剪破坏转变;试验梁的抗剪承载力随剪跨比的增大而减小,随BFRP筋配筋率和再生混凝土抗压强度的提高而增加;采用所提公式的计算结果与试验值吻合较好,且具有一定安全度。

BFRP筋纤维混凝土梁抗弯试验

针对传统BFRP筋梁挠度、裂缝较大的特点,提出在BFRP筋梁中掺入短切玄武岩纤维,并完成了3种纤维体积掺量和3种配筋率下的BFRP筋纤维混凝土梁的抗弯试验。在BFRP筋梁中掺入短切玄武岩纤维,可提高梁的开裂荷载,当纤维体积掺量为0.4%时,其开裂荷载提高了60%;掺入短切玄武岩纤维对梁的极限承载力影响不大,极限承载力只随配筋率的增大而增大;掺入短切玄武岩纤维不能有效改善BFRP筋梁的挠度。

基于挠度控制方法的BFRP筋混凝土梁抗弯设计

纤维增强塑料(FRP)筋混凝土梁的抗弯设计主要受正常使用极限状态的制约,因此在采用极限状态设计法对FRP筋混凝土梁进行抗弯设计时,其步骤应根据正常使用性能标准的要求对构件进行配筋设计,然后再按极限平衡理论进行强度验算。基于这一设计思路,采用对构件挠度进行控制的方法,根据应变协调条件和截面内力平衡条件,并结合对构件的荷载-挠度关系进行非线性全过程分析;提出了一种通过允许挠度确定最小配筋率的抗弯设计方法,并编写了相应的计算程序,设计了相应的图形用户界面(GUI)。采用该方法设计了2根玄武岩纤维增强塑料(BFRP)筋混凝土梁,对其在正常使用极限荷载下的挠度进行了有限元求解,并与非线性全过程分析和简化挠度公式的计算结果进行了比较。分析结果表明:得到的挠度值均小于允许挠度值,说明该方法具有较好的适用性;为满足正常使用条件下的挠度要求,应将BFRP筋混凝土梁设计为超筋梁,较高的配筋率可以明显减小BFRP筋混凝土梁的挠度,改善其变形性能。

BFRP布加固钢筋混凝土梁的变幅疲劳寿命试验研究

通过5根钢筋混凝土梁的抗弯疲劳试验,研究玄武岩纤维布、玄武岩/碳混杂纤维布、玻璃/碳混杂纤维布加固梁的变幅疲劳寿命,并根据Miner损伤理论、修正Miner损伤理论和Corten-Dolan损伤理论,对承受变幅疲劳载荷作用的FRP加固钢筋混凝土梁进行了疲劳寿命估算。结果表明,粘贴纤维布对钢筋混凝土梁的抗疲劳性能有极大改善,能显著提高梁的疲劳寿命;3种损伤理论估算出的寿命均偏安全,以修正Miner损伤理论的精度最好。建议在实际工程应用中采用修正Miner损伤理论进行FRP加固钢筋混凝土受弯构件的变幅疲劳寿命估算。

BFRP筋与钢筋混合配筋混凝土梁抗弯性能试验研究

设计制作10根梁,包括1根玄武岩纤维(BFRP)筋混凝土梁、1根钢筋混凝土梁以及8根BFRP/钢筋混合配筋混凝土梁。通过试验研究了高配筋率及低配筋率下不同配筋面积比对混合配筋混凝土梁受弯性能的影响,分析其承载力、破坏形态、变形性能、裂缝发展及延性性能,并与BFRP筋混凝土梁以及钢筋混凝土梁进行了对比。结果表明,BFRP/钢筋混合配筋梁的破坏形式包括两种:高配筋率混合配筋梁钢筋屈服后受压区混凝土压碎;低配筋率混合配筋梁则在钢筋屈服后BFRP筋被拉断,梁发生脆性破坏。混合配筋混凝土梁荷载-挠度曲线表现出以试件开裂和钢筋屈服为转折点的三线性特征。混合配筋混凝土梁极限承载力稍低于BFRP筋混凝土梁,但高于钢筋混凝土梁,且随着配筋面积的增加而增加。混合配筋混凝土梁的延性系数均比钢筋混凝土梁大,且配筋率越低,配筋面积比越大,延性系数越高。要满足结构抗震设计规范要求,建议配筋面积比不小于0.6。

FRP-OFBG智能复合筋及其在加筋混凝土梁中的应用

结合纤维增强聚合物(FRP)的强度特性和光纤光栅(OFBG)的感知特性,研制开发出了FRP-OFBG智能复合筋,研究了它的力学、微观结构、感知等特性.通过FRP-OFBG加筋混凝土梁静载试验,监测了FRP筋的应变和混凝土开裂,研究了FRP筋与混凝土的滑移和混凝土梁的应变分布.结果表明,FRP-OFBG智能复合筋克服了光纤光栅在混凝土中埋设的工艺难题,是集感知和受力、功能材料和结构材料于一体的新型土木工程材料,既可以方便地作为混凝土结构的内部传感元件,也可以作为结构受力筋,具有很好的应用前景.

BFRP筋钢纤维再生混凝土梁抗弯性能试验研究

为了研究不同钢纤维体积掺量vsf(0. 5%、1%、1. 5%、2%),纵筋配筋率ρ,再生骨料取代率R(0、50%、100%)对BFRP筋钢纤维再生混凝土梁(BFRP-SFRAC梁)抗弯性能的影响,本文对9根BFRP-SFRAC梁和1根钢筋钢纤维再生混凝土梁(对比梁)进行了抗弯试验,分析了其破坏形态、承载力变化过程及挠度变形等情况。结果表明:BFRP-SFRAC梁在达到极限承载力后,其荷载-挠度曲线下降段平滑,表现出较好的延性特征。BFRP-SFRAC梁的抗弯承载力受配筋率ρ和钢纤维体积掺量vsf的影响较大,受再生骨料取代率R的影响较小。随着钢纤维体积掺量vsf的增加,BFRP-SFRAC梁的初裂荷载和极限荷载均增加,但并不一直呈线性增长,而挠度变形有所减小。与对比梁相比,BFRP-SFRAC梁的初裂荷载略低,但极限荷载却明显提高。

纤维加强聚合材料加筋混凝土梁正截面强度研究

根据平面假设 ,对纤维加强聚合材料 (FRP)加筋混凝土梁进行了弹塑性变形全过程分析 ,并与钢筋混凝土梁的弹塑性变形全过程进行了比较 ,分析了FRP加筋混凝土梁在不同配筋率下 ,其极限弯矩和极限曲率的变化规律 ,结果表明 :钢筋混凝土梁正截面强度的计算公式已不适用于FRP加筋混凝土梁的正截面强度计算 .给出了FRP加筋混凝土梁正截面强度验算和设计的计算方法 ,其计算结果与实验结果符合较好 .