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GFRP复合钢筋混凝土梁界面剪切破坏形式与规律

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摘要

第一章 绪论

1.1 钢筋混凝土结构发展历程及加固背景

1.1.1 钢筋混凝土结构的发展

1.1.2 钢筋混凝土结构加固背景

1.2 玻璃纤维增强塑料(GFRP)加固混凝土结构技术概况及特点

1.2.1 玻璃纤维增强塑料加固技术研究现状

1.2.2 GFRP材料组成、分类及特点

1.3 复合梁的断裂力学阻裂机理及其力学性能

1.3.1 断裂力学简述

1.3.2 GFRP钢筋混凝土复合梁阻裂机理阐述

1.3.3 复合钢筋混凝土梁的优良力学性能

1.4 FRP-混凝土界面性能研究现状及总结

1.4.1 FRP-混凝土界面研究现状

1.4.2 FRP-混凝土界面性能已有研究总结

1.4.3 关于界面研究的不足

1.6 本文主要研究内容

第二章 GFRP-钢筋混凝土复合梁试验设计

2.1 实验目的

2.2 试验梁的设计与制作

2.2.1 结构尺寸及配筋设计

2.2.2 钢筋混凝土梁的制作

2.3 试验材料的力学性能指标测定

2.3.1 混凝土力学指标测定

2.3.2 受拉主筋力学性能指标测定

2.3.3 GFRP力学性能指标测定

2.4 GFRP粘贴及注意事项

2.4.1 粘贴前的预处理

2.4.2 GFRP的粘贴

2.4.3 注意事项

2.5 应变和位移布点设计

2.5.1 钢筋应变片布置

2.5.2 混凝土应变片布置

2.5.3 试验梁挠度测量

2.6 试验加载方案

2.6.1 加载方式的确定及注意事项

2.6.2 所需实验器材

2.6.3 加载方案

第三章 复合梁界面破坏与裂纹发展规律关系分析

3.1 实验梁受力过程分析

3.1.1 普通钢筋混凝土梁受力过程及分析

3.1.2 平贴一层GFRP-钢筋混凝土复合梁受力过程及界面破坏分析

3.1.3 平贴二层GFRP-钢筋混凝土复合梁受力过程及界面破坏分析

3.1.4 平贴三层GFRP-钢筋混凝土复合梁受力过程及界面破坏分析

3.1.5 三种梁界面破坏规律总结

3.2 复合梁界面相关概念

3.2.1 界面及界面破坏形式

3.2.2 三种界面破坏形式阐述

3.3 不同界面破坏形式下梁体裂纹发展规律分析

3.3.1 主裂纹宽度追踪

3.3.2 各梁裂纹发展分布图

3.3.3 不同界面破坏形式对梁体裂纹影响分析

3.4 本章小结

第四章 复合梁界面应变、界面破坏与承载力关系

4.1 不同GFRP厚度情况下复合梁界面应变发展规律分析

4.1.1 不同GFRP厚度情况下荷载对复合梁界面混凝土应变影响及分析

4.1.2 不同GFRP厚度情况下荷载对复合梁界面GFRP应变影响及分析

4.1.3 不同GFRP厚度情况下复合梁界面GFRP与混凝土应变之差在荷载影响下的变化规律及分析

4.2 界面破坏与界面应变、梁体承载力之间的关系

4.2.1 界面剥离原因分析

4.2.2 界面破坏与界面应变发展的关系

4.2.3 界面破坏与梁体承载力的关系

4.2.4 以界面破坏为依据的梁承载性能评价原则

4.2.5 三点加载与四点加载情况下承载力对比

4.3 本章小结

第五章 GFRP、CFRP复合梁性能对比分析

5.1 两种梁最大裂纹宽度及裂纹数量分析

5.2 各梁开裂荷载、钢筋屈服荷载及极限荷载对比分析

5.3 两种梁延性对比分析

5.4 本章小结

第六章 复合梁界面有限元分析

6.1 有限元分析目的及内容

6.2 不同厚度增强层的复合梁有限元分析

6.2.1 分离式钢筋混凝土有限元模型的建立

6.2.2 单元网格划分

6.2.3 加载与求解

6.2.4 计算结果与分析

6.3 应力强度因子分析

6.3.1 应力强度因子求解

6.3.2 断裂力学模型的建立

6.3.3 计算结果及分析

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 本文主要结论

7.2 后续工作及展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及科研成果

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摘要

GFRP钢筋混凝土复合梁结构是基于断裂力学阻裂机理提出来的一种新型钢筋混凝土结构,这种新结构通过“阻”的裂纹控制思想,充分利用GFRP的阻裂增强性能。
  本文从GFRP与混凝土的界面着手,分析GFRP与混凝土界面破坏和GFRP钢筋混凝土复合梁承载力、变形性能、裂纹分布之间的关系,得到如下结论:
  ①通过GFRP钢筋混凝土复合梁和普通梁受弯对比试验,得到了GFRP厚度与钢筋混凝土复合梁开裂荷载、极限承载力、钢筋屈服荷载、结构刚度、延性指标之间的关系。对比表明,随着GFRP厚度的增加,复合梁各方面指标显著增加。②对界面破坏的形式与规律进行了研究,实验表明,在GFRP厚度较薄时,GFRP以突然拉断为特征,当达到适当厚度时,GFRP不再以突然拉断为特征,而是以其与混凝土的界面开裂、扩展、破坏为特征,从GFRP与混凝土界面开始出现剥离,到界面失稳剥离,要经历一个很长的界面裂纹稳定扩展和梁的挠度增大的过程,在此过程中GFRP复合梁表现出良好的塑性变形能力。在GFRP层厚达到一定值后,继续增加厚度不再显著提高其承载性能和塑性变形性能。③对不同厚度GFRP钢筋混凝土复合梁裂纹分布和主裂纹宽度随荷载的变化进行追踪分析,表明:随着GFRP厚度的增加,1)梁体裂纹数量逐渐增多,但宽度、高度逐渐减小,从整体上看,裂纹分布从“疏而宽”逐渐向“密而窄”转变;2)梁体主裂纹在界面处分叉愈加频繁(呈爪型裂纹);3)各个梁体在极限破坏状态下,跨中主裂纹宽度越来越小,跨中旁边的两条主裂纹宽度越来越大,梁体由三条破坏裂纹变为两条并在梁顶汇集成拱形;4)在相同荷载下同一条裂纹随着GFRP厚度的增大不断减小。④本文基于复合梁开裂、钢筋屈服、梁体破坏三个阶段,对不同厚度复合梁界面应变进行了分析,说明钢筋、混凝土、GFRP三者之间协同作用关系,分析界面混凝土、GFRP应变发展变化与复合梁破坏形态的内在关系,并以此为基础阐述界面剥离原因和以界面破坏为依据的梁承载性能评价原则。⑤通过对比相同尺寸GFRP和CFRP钢筋混凝土复合梁的开裂荷载、极限承载力、钢筋屈服荷载及延性等性能指标,可以得出,两种加固材料各有优劣,不同工况时可根据需要择优选取。⑥有限元分析表明:裂纹尖端应力强度因子与闭合力成正比,而闭合力随GFRP厚度的增大而增大,因此开裂荷载会随着GFRP厚度的增大而增大。

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