CFRP部分粘贴加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究

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碳纤维增强聚合物(Carbon fiber reinforced polymer,缩写为CFRP)是一种已经得到广泛应用的混凝土梁加固材料。在桥梁工程中,CFRP常用于抗弯加固和修复,在梁底沿着桥梁方向进行粘贴,与钢筋共同承担拉力,起到抑制开裂、降低挠度的作用。通常,CFRP被假定与梁底面完美粘结;然而,因为桥梁往往直接暴露于恶劣环境中,且施工时可能存在缺陷,所以经常出现桥梁底面与CFRP脱胶的情况,导致混凝土梁底面受力不均匀,这会很大程度上影响CFRP加固桥梁的力学性能。目前,关于CFRP脱胶情况对梁力学性能影响的研究较少。为了定量分析脱胶对CFRP加固混凝土梁力学性能的影响,为后期修复提供依据,本文对CFRP部分粘贴钢筋混凝土梁的抗弯受力性能进行了研究:首先,在已有研究的基础上,本文创新性地提出了未粘结比的概念,以此无量纲量来描述跨中未粘结区域的相对大小;其次,本文研究了不同锚固方式下,存在未粘结区域的梁的力学性能;最后,本文提出了与未粘结比相关的极限荷载和开裂荷载的计算公式,并推荐了用于有限元计算的模型,两者均与试验值吻合较好。本文主要研究内容如下:(1)CFRP部分粘贴加固钢筋混凝土梁在两种涂胶方法下的抗弯性能研究本试验一共制作了12根钢筋混凝土梁,试验变量为未粘结比(0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)和涂胶方法。试验结果表明,当未粘结段限于纯弯段时,梁的极限荷载基本随未粘结比的增大呈线性下降;当未粘结段延伸到剪弯段后,梁的极限荷载会有所回升,而开裂荷载和CFRP应变则与未粘结比关系不显著。同时,从CFRP贴近梁的一侧进行浸渍的部分粘贴试件,即文中涂胶方法A,相比全粘贴试件有着相近或更好的延性。(2)CFRP部分粘贴加固钢筋混凝土梁在两种CFRP厚度和三种锚固方式下的抗弯性能研究本试验一共制作了26根钢筋混凝土梁,试验变量为未粘结比(0,0.1,0.2,0.3),CFRP厚度(0.167mm,0.334mm)和锚固方式(垂直U型箍,斜向U型箍,机械锚固)。试验发现,机械锚固和斜向U型箍在极限荷载和刚度方面优于垂直U型箍,同时能够延缓剥离破坏的发生,具有更加优越的力学性能。(3)CFRP部分粘贴加固钢筋混凝土梁在垂直U型箍下的理论开裂和极限荷载研究在第一阶段试验的基础上,提出了基于线性拟合的部分粘贴CFRP钢筋混凝土梁在垂直U型箍锚固方式下的理论极限荷载公式,并基于弹性力学原理推导了所有梁的开裂荷载公式。该理论值与试验结果吻合较好。(4)CFRP部分粘贴加固钢筋混凝土梁在不同锚固方式下的有限元分析在第二阶段试验的基础上,进行了有限元模拟工作,提出了数值分析模型。结果表明,当未粘结区域位于纯弯段时,有限元模型得到的开裂荷载与极限荷载与试验值的吻合程度较好。同时,该有限元模型能较为准确地预测试验的跨中位移-荷载曲线和破坏模式。
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