体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的理论与数值分析

随着服役时间的增长和车辆荷载的增加,老旧的钢筋混凝土桥梁面临承载力不足、变形超限等问题,采用体外预应力CFRP筋对其加固是一种有效的解决方法。采用有限元分析软件ABAQUS对某跨度24 m的铁路桥梁进行数值模拟与参数分析,其中,根据不同的CFRP预应力筋的直径(31 mm、43 mm、61 mm)和预应力大小(250 MPa、500 MPa、750 MPa、1000 MPa、1250 MPa),获得模型梁的开裂弯矩、梁底钢筋屈服弯矩以及梁开裂时的跨中变形。将《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)等现行规范的理论计算结果与数值模拟结果进行对比,发现两者吻合良好,误差在15%以内,从而验证了规范中钢筋混凝土梁开裂弯矩计算公式、正截面承载力计算公式以及跨中挠度计算公式对于体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的适用性与准确性,为实际工程加固设计提供参考。

CFRP筋-珊瑚混凝土柱偏压力学性能数值分析

为研究CFRP筋增强珊瑚混凝土柱偏心受压力学性能,通过ANSYS软件对30根试验柱进行数值分析,讨论不同偏心距、长高比、纵筋率对试件极限承载力、受压侧混凝土应力、柱中挠度和位移的影响。结果表明:偏心距、长高比的增大使试件的极限承载力减小,柱中挠度增大,其中,试件PY-60受压侧混凝土极限应力仅为23 MPa,约为轴压柱PY-0受压混凝土极限应力的1/2;纵筋率的增大一定程度上可提高试件的承载能力。进行二阶挠曲效应参数分析,提出CFRP筋-珊瑚混凝土偏心受压柱的弯矩放大系数ηns计算方法,并结合现行规范进行适应性修正,其理论计算值与现有研究的试验结果吻合良好,具有一定的参考价值。

高强CFRP筋/钢筋混凝土梁柱节点的抗震性能试验研究

为了增强梁柱节点的抗震性能,共设计了6组高强碳纤维增强复合筋(CFRP筋)/钢筋混凝土梁柱节点试件,研究了有无CFRP筋、轴压比、配箍率和混凝土强度对梁柱节点试件破坏形态和抗震性能的影响。结果表明,6组高强CFRP筋/钢筋混凝土梁柱节点试件的破坏形式都为梁端弯曲破坏,滞回曲线呈“弓形”和“梭形”,未添加CFRP筋的GJ1试件的滞回曲线饱满程度相对其他试件要低;CFRP筋有助于提升梁柱节点试件的承载力和屈服后刚度,节点配箍率和轴压比对节点试件的承载力影响较小,使用聚乙烯纤维砂浆(PE-ECC)和C30混凝土会降低节点试件的承载力;6组梁柱节点试件的位移延性系数都大于3,低轴压比、高节点配箍率、局部使用PE-ECC和使用低强度C30混凝土有助于提升节点试件的延性和耗能能力。

梯级CFRP筋多塑性铰混凝土桥墩抗震性能研究

基于CFRP筋的梯级配筋方式,对混凝土桥墩进行多塑性铰抗震设计。采用OpenSees程序建立桥墩数值模型,并通过拟静力数值模拟分析多塑性铰设计方法下桥墩的滞回性能。研究结果表明:相较于普通钢筋混凝土桥墩,多塑性铰桥墩具有更加良好的的滞回特性;与CFRP筋通长配筋桥墩相比,梯级CFRP筋桥墩的最大侧向承载能力和刚度却只有微小幅度的下降,但其墩顶极限位移、延性性能和累计耗能却有较大提高;桥墩中塑性铰数量越多,则桥墩的滞回性能越好。

基于梯级CFRP筋的多塑性铰混凝土桥墩地震易损性分析

多塑性铰抗震设计方法是通过有意的设计使延性构件在非外力峰值位置处产生多个额外的塑性铰,从而使延性构件在地震下的损伤呈现出弥散分布的特点。该设计方法有利于增加构件的变形能力,更充分地发挥构件的抗震性能。但是,目前关于该设计方法的适用性和有效性研究较少,因此以某3跨连续梁桥为例,提出了一种基于梯级FRP筋配筋方式的桥墩多塑性铰设计方法,并基于OpenSees有限元软件对该桥墩进行了地震易损性分析。研究结果表明:多塑性铰抗震设计方法可以显著降低桥墩损伤风险,多塑性铰所起到的减震效果会随着桥墩损伤严重程度的加深而越发显著;在轻微损伤和中等破坏状态下,梯级CFRP筋可以通过提升墩身刚度来降低损伤风险,而且塑性铰数量对于桥墩的损伤概率影响不大;在严重破坏和完全破坏状态下,桥墩塑性铰越多,其损伤风险就越低。

CFRP筋混凝土梁受弯性能试验研究

CFRP筋具有强度高、重量轻、耐氯腐蚀性好等优点,被建议取代钢筋应用于建筑结构中。为了促进CFRP筋混凝土结构的应用与发展,本文对CFRP筋混凝土梁的受弯性能进行了试验研究。明晰了CFRP筋混凝土梁失效演化过程,讨论了箍筋间距对CFRP筋混凝土梁破坏模式、应力应变状态和荷载位移曲线的影响。结果表明:箍筋充分的约束作用可以使得CFRP筋混凝土梁在破坏后具有一定的延性特征,因此建议箍筋的间距控制在200mm以内。

CFRP筋/钢筋与新型混凝土黏结性能试验研究

通过对27个中心拉拔试样进行测试,研究了碳纤维增强复合材料(CFRP)筋和钢筋分别与地聚物混凝土和硫铝酸盐混凝土两种新型混凝土之间的黏结性能、破坏模式和黏结-滑移关系曲线,并以普通混凝土为参照进行了对比分析。试验结果表明,对于同种混凝土,深螺纹CFRP筋与带肋钢筋的黏结-滑移曲线形状相似,均包含上升和下降段。深螺纹CFRP筋比带肋钢筋的黏结强度更高,且其最大黏结应力所对应的滑移量较带肋钢筋也更高。相比普通混凝土,硫铝酸盐混凝土与CFRP筋和钢筋的黏结性能较高,而地聚物混凝土因强度较低其黏结性能偏低。数据拟合结果显示,CMR模型比mBPE模型能够更好地拟合CFRP筋与地聚物混凝土、硫铝酸盐混凝土和普通混凝土之间的黏结-滑移试验曲线。

混凝土结构用CFRP筋的感知性能试验研究

对混凝土结构用CFRP筋及其加筋混凝土梁的力学性能和感知性能进行试验研究。自行研制开发了不同直径和表面处理形式的CFRP筋。在此基础上,制作了三组各6个标准受拉试件,分别测试了CFRP筋的弹性模量、极限抗拉强度和电阻变化率,得到了相应的变化曲线;其次制作了两组各3根CFRP加筋混凝土梁,测试了梁中CFRP筋电阻随载荷增加的变化曲线。研究表明,CFRP筋具有很好的力学性能和感知性能,对于混凝土结构加强筋和结构受力状态监测具有广泛的应用前景。

CFRP筋及其加筋混凝土梁感知性能试验与分析

对14个CFRP筋试件进行受拉试验,试验采集(carbon fiber reinforced polymer)CFRP筋的应力、应变和电阻值,基于压阻效应CFRP筋电阻随拉应变增加而增加.当CFRP筋破坏时其电阻变化率为31%-64%,直径4 mm和6 mm的CFRP筋应变敏感系数分别是30.5和38.6,是普通电阻应变片灵敏系数的13.80倍和17.47倍.CFRP筋电阻变化主要是由于电阻率变化引起的,碳纤维的弹性变形引起的电阻变化很小.对6根CFRP加筋混凝土梁进行三分点静力加载试验,试验记录了梁中CFRP筋电阻随梁跨中变形增加的变化曲线.当混凝土梁破坏时CFRP筋电阻变化率为2.54%-6.87%.试验研究表明CFRP筋既可用作混凝土结构的受力筋,又可用作传感器进行结构健康监测.

高性能CFRP筋混凝土柱的抗震性能

对4根CFRP筋混凝土柱进行低周反复拟静力试验,研究CFRP筋混凝土柱及其经模拟地震损伤修复后的抗震性能,分析试件的柱顶水平荷载与相应位移的滞回曲线、变形性能、耗能性能和刚度退化等特征,给出综合性能评价指标和恢复力模型及其计算方法。研究结果表明:试件具有较强的变形能力和承载能力,轴压比和体积配箍率是影响CFRP筋混凝土柱抗震性能的重要因素;传统的延性系数不能全面反映CFRP筋混凝土柱的抗震性能,综合性能指标能较好地反映轴压比和体积配箍率对CFRP筋混凝土柱抗震性能的影响。

CFRP筋复合型锚具的受力性能试验

为研究CFRP筋复合型锚具的主要设计参数对锚固性能的影响及锚具内部受力情况,设计了5个复合型锚具的参数静载试验,测量了锚具的极限荷载、锚环-CFRP筋间滑移变形和金属筒测点应变,通过静载试验对比分析了各设计参数对锚固效果的影响,以及金属筒表面应力的分布情况与变化规律.研究结果表明:当金属筒壁厚为2 mm,夹片夹持长度为65 mm,粘结长度为500 mm时,锚具的锚固性能较好;夹片-金属筒间锚固良好,无滑移;金属筒应力分布与变化可反映锚具内部受力情况,测点应力曲线峰值预示该位置附近的胶体与CFRP筋间的粘结破坏.

体外预应力CFRP筋混凝土梁正截面抗弯试验研究

为研究体外预应力CFRP筋混凝土结构的正截面抗弯特性,研制了CFRP后张预应力筋夹片式锚具,对1片体外CFRP筋直线布置体外预应力混凝土梁和2片体外CFRP筋曲线布置体外预应力混凝土梁进行了正截面抗弯试验研究.试验结果表明:体外预应力CFRP筋混凝土梁受力过程与体外预应力钢筋混凝土梁有较多相似之处;跨中设一转向块的体外预应力CFRP筋混凝土梁的开裂荷载和极限承载力均比不设转向块的体外预应力CFRP筋混凝土梁要大,而跨中极限挠度则比不设转向块的体外预应力CFRP筋混凝土梁要小.在跨中设置转向块,可有效提高体外预应力CFRP筋混凝土梁的极限抗弯承载能力.按所推导的体外预应力CFRP筋混凝土梁的极限抗弯承载力理论公式,计算值与试验实测值吻合良好.

CFRP筋与珊瑚混凝土的黏结性能试验研究

为全面研究碳纤维筋与珊瑚混凝土的黏结性能,对10组共30个珊瑚混凝土拉拔试件进行了中心拉拔试验。结果表明:将CFRP筋与珊瑚混凝土的黏结滑移曲线分为微滑移阶段、滑移阶段、拔出阶段和残余阶段共4个阶段;CFRP筋与珊瑚混凝土的黏结强度随着CFRP筋的直径增加而显著减小;在一定锚固长度内,随其锚固长度的提高而相应减小;同时在珊瑚混凝土强度等级较低时,其黏结强度随珊瑚混凝土强度等级的提高而增长。

一种CFRP筋在预应力混凝土梁中的应用研究

碳纤维增强塑料筋(CFRP筋)是一种强度高、密度小、耐腐蚀性能良好的非金属材料,可以替代预应力混凝土结构中的普通预应力钢筋,有较大的发展前景.本文对一种国产CFRP筋应用于预应力混凝土梁中的相关性能进行了试验研究,研究内容包括在混凝土中的粘结性能、张拉阶段的预应力损失以及梁试件的受力性能.研究结果表明该筋及其配套锚具适用于后张无粘结预应力混凝土梁中,相应张拉阶段的预应力损失以及梁试件在加载阶段的受力情况与普通无粘结预应力混凝土梁相似,具有一定的工程应用价值.

有黏结预应力CFRP筋混凝土梁试验及非线性分析

通过6根梁试件的单调加载静力试验,对有黏结预应力CFRP筋混凝土梁的受力过程、破坏形态、抗弯承载力、位移延性以及变形特性等进行了较系统的研究,并利用ANSYS软件对试验梁进行了非线性有限元分析。研究结果表明:有黏结预应力CFRP筋混凝土梁受力性能良好,具有较大的位移延性和变形能力;按配筋率的不同,梁试件的破坏模式分为受拉破坏和受压破坏2种;随着配筋率的增大和张拉控制应力的提高,有黏结预应力CFRP筋混凝土梁的位移延性有所降低;和非预应力配筋为钢筋的梁试件相比,非预应力配筋为玻璃纤维塑料(GFRP)筋的梁试件的位移延性和变形能力稍低;典型试件的有限元计算值和试验值吻合良好。

预应力CFRP筋混凝土梁疲劳全过程分析

CFRP筋具有耐腐蚀、抗拉强度高、弹性模量低和重量轻等优点,是暴露及恶劣环境下预应力钢筋的理想替代品。目前国内外关于预应力CFRP筋混凝土结构静力性能的研究已开展较多,而关于其疲劳性能的研究则刚刚起步。为此,对混凝土、钢筋以及CFRP筋的疲劳性能进行了总结,在考虑了疲劳刚度退化、疲劳强度退化以及疲劳残余变形等因素的基础上,提出了预应力CFRP筋混凝土梁疲劳全过程的简化分析方法,并基于ANSYS二次开发实现了疲劳全过程分析。为验证提出的疲劳全过程简化分析方法,进行了预应力CFRP筋混凝土梁的300万次疲劳试验,计算值与试验结果吻合良好。

体外预应力CFRP筋加固T形截面混凝土梁受弯性能试验研究

通过体外预应力CFRP筋加固T形截面混凝土梁静力试验,研究体外预应力CFRP筋加固梁的受弯性能,包括受力过程、破坏形态、延性及CFRP筋应力增量等,分析张拉控制应力、非预应力配筋率和混凝土强度等级对加固梁受弯性能的影响。结果表明:与未加固梁相比,采用体外预应力CFRP筋加固,能显著提高混凝土梁的受弯承载力、整体刚度和极限变形能力,限制裂缝发展;张拉控制应力和非预应力筋配筋率对加固梁受弯承载力影响较为明显,而混凝土强度等级影响较小。基于试验结果,运用现有体外预应力混凝土结构理论,建立了体外预应力CFRP筋加固T形截面混凝土梁受弯承载力计算公式,可供实际工程设计参考。

反复荷载作用下预应力CFRP筋HPC梁的力学响应

对于预应力碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced composite,CFRP)筋高性能混凝土(High per-formance concrete,HPC)梁,建立了预应力CFRP筋的组合壳单元模型和GFRP筋的分层壳单元模型,结合相关准则研究了预应力CFRP筋HPC梁的几何非线性和材料非线性,分析了反复荷载作用下HPC梁的非线性力学响应。结果表明,单调荷载作用下预应力CFRP筋HPC梁的跨中挠度和CFRP筋应变的计算结果与试验数据均吻合良好,证明了所提出单元的有效性和研制程序的正确性;反复荷载作用下预应力CFRP筋HPC梁的受拉区配筋种类对HPC梁的力学响应具有显著影响,且梁体破坏时CFRP筋和GFRP筋均未达到相应的极限强度,所得结论供HPC梁设计参考。

体外CFRP筋加固混凝土梁抗弯性能试验

目的研究体外CFRP筋加固钢筋混凝土简支梁的抗弯性能,探讨体外预应力CFRP筋加固混凝土梁抗弯承载力的计算方法.方法通过对13根体外CFRP筋加固试验梁的静载试验,分析加固梁的破坏形态、裂缝开展、挠度、混凝土应变、体内受拉钢筋和体外CFRP筋应变的变化情况,对比分析各种因素对加固梁极限荷载的影响.结果加载过程中,跨中截面混凝土的平均应变沿梁高基本呈直线分布;当体外CFRP筋弯折角度大于10°时,对梁体抗弯性能不利;随着混凝土强度的提高,加固梁抗弯承载力的提高不明显.对于体内受拉钢筋配筋率较大的梁,采用体外预应力CFRP筋加固效果并不明显.结论体外CFRP筋加固钢筋混凝土梁梁体的平均应变仍符合平截面假定,在实际加固工程中应该考虑带载水平的影响,对于忽略二次效应后的体外预应力CFRP筋加固体系,抗弯承载能力可进行简化计算,简化计算结果与实测结果吻合较好.

CFRP筋增强混凝土偏心受压柱受力性能的试验研究

通过对10根全CFRP筋混凝土柱的偏心受压静载试验，研究不同偏心距、配筋率和混凝土强度对其破坏特征、柱中截面应变分布和侧向挠度的影响。试验结果表明：CFRP筋混凝土偏心受压柱有较高的承载力能力；在混凝土压碎时，CFRP纵筋保持完好，能有效地发挥其增强作用；受压区的CFRP纵筋的应变波动范围较小，一般在0．0035—0.004之间，受拉区的CFRP纵筋的应变波动范围较大，在0．0035—0．0065之间。基于平截面假定，给出用失效模式和CFRP筋的受力状态作为承载力计算分界点的承载力计算方法，承载力的理论计算结果与试验结果符合较好，可供实际工程参考。