FRP/钢-混凝土组合梁简化设计方法研究

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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)因其耐腐蚀的特性在解决工程结构中的锈蚀问题中得到了广泛应用。然而,由于FRP材料弹性模量较小(尤其GFRP),因此纯FRP结构与FRP组合结构的抗变形能力较传统钢筋混凝土结构更弱。基于此,本文同时将FRP与钢相结合,形成新型FRP/钢复合材料,该材料有着可观的强度、较好的弹性模量,同时具有稳定的屈服后模量,兼顾优越的耐腐蚀性能。考虑将新型FRP/钢复合材料与混凝土相结合,形成FRP/钢-混凝土组合梁,则该梁有着变形可控的特性和高耐久性。目前,国内对FRP/钢复合材料以及其组合结构的研究仍处于初步阶段,因此,本文旨在研究新型FRP/钢复合材料的基本力学性能,并对FRP/钢-混凝土组合梁的受力性能分析与初步设计进行了研究,本文主要研究内容如下:首先,通过BFRP/钢复合板和CFRP/钢复合板的单轴拉伸试验研究了不同纤维布和不同钢板体积比下FRP/钢复合板的应力-应变关系,并将试验结果与理论预测值进行了对比分析。研究结果表明,理论预测值与试验值吻合良好,理论模型能够很好地预测复合板的单轴拉伸力学性能,且两种FRP/钢复合板都有较大的弹性模量、稳定的二次刚度和优越的经济性。其次,将FRP/钢与混凝土结合进而组成一种新型的FRP/钢-混凝土组合梁,介绍了组合梁的多种失效模式,提出了组合梁截面的简化设计方法并给出相应设计步骤。最后,基于设计算例建立了FRP/钢-混凝土组合梁的有限元模型,并将有限元计算结果与理论公式计算结果进行对比,二者结果吻合良好证明了有限元模型的正确性以及组合梁设计的合理性。接着,基于上述算例进行有限元分析,配合经济性研究了混凝土强度、FRP种类、混凝土高度和钢板体积比等设计参数对组合梁受力性能的影响。
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