GFRP-钢复合筋海砂混凝土梁抗弯性能试验研究

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纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer,简称FRP)由于具有轻质高强、耐腐蚀和抗疲劳性能好等优点,FRP筋可替代钢筋作为受力筋在混凝土结构,特别是在海砂混凝土结构中进行应用。然而对于FRP筋,由于其刚度较小,且破坏模式成脆性断裂,从而导致FRP筋受弯混凝土构件存在刚度不足与脆性破坏的问题。为了解决海砂混凝土受弯构件中单纯采用钢筋易腐蚀,而单纯采用FRP筋则刚度不足与脆性破坏的问题,本文引入玻璃纤维复合材料(GFRP)包钢复合筋(内芯为钢筋,外层包裹GFRP的新型复合筋,以下简称复合筋)作为海砂混凝土梁的受力筋,以GFRP-钢复合筋海砂混凝土梁作为研究对象,并实施不同纤维包裹厚度、不同配筋组合下海砂混凝土梁的四点弯曲实验,与传统钢筋混凝土和FRP筋混凝土梁进行对比,探讨GFRP-钢复合筋海砂混凝土梁的破坏模式以及挠度、裂缝、承载力等抗弯性能,提出GFRP-钢复合筋海砂混凝土梁不同阶段挠度、裂缝和承载力的计算参考。本文的主要研究内容与结论如下:(1)GFRP-钢复合筋海砂混凝土梁的破坏模式。对不同钢筋和GFRP材料比例配筋下混凝土梁进行四点弯曲实验,探讨钢筋与GFRP材料比例对海砂混凝土梁的刚度和延性的影响。研究结果表明:1)GFRP-钢复合筋海砂混凝土梁具有明显的三次刚度变化,分别为混凝土开裂前,混凝土开裂至钢筋屈服以及钢筋屈服到复合筋断裂;2)不考虑钢筋容易锈蚀的缺陷,提高钢筋的配筋比例,有利于提高海砂混凝土梁的刚度和延性。(2)GFRP-钢复合筋海砂混凝土梁的挠度和裂缝宽度的计算方法。对四点弯曲下不同钢筋和GFRP材料比例的海砂混凝土梁的挠度与裂缝宽度进行测量,结合ACI318-05和ACI440.1R-15规范中关于钢筋和FRP筋混凝土梁挠度与裂缝宽度的计算方法对GFRP-钢复合筋梁挠度和裂缝宽度进行计算,并与实验结果进行对比。研究结果表明:1)对于复合筋海砂混凝土梁的挠度计算,计算值比试验值偏小,屈服挠度与极限挠度理论平均偏小16%和13%;2)对于复合筋海砂混凝土梁的裂缝宽度计算,计算值比试验值偏小,平均偏小25%;3)对于复合筋海砂混凝土梁挠度与裂缝宽度的计算需要考虑复合筋的弹性模量折减。(3)GFRP-钢复合筋海砂混凝土梁的屈服承载力与极限承载力的计算方法。在参考ACI440.1R-15规范中关于FRP筋混凝土梁极限承载力的计算方法的基础上,以梁截面变形符合平截面假定为基础,通过变形协调原理和力的平衡原理推导出相应的公式,并将得到的理论结果与实验值对比。结果表明:1)对于复合筋海砂混凝土梁的屈服荷载计算,试验值与计算值之比的均值为1.0;2)对于复合筋海砂混凝土梁的极限承载力计算,试验值与计算值之比的均值为1.08;3)本文中所建立的复合筋海砂混凝土梁承载力的理论模型与试验结果吻合较好。
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