“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土新结构的力学原理与实验研究
|
摘要
本文简要总结了传统钢筋混凝土结构的优缺点,介绍了FRP片材应用于钢筋混凝土结构的发展历史和研究现状。
在课题组前期研究的基础上,本文基于断裂力学基本原理归纳了GFRP复合钢筋混凝土梁用到的三个力学机理,并对新结构的界面问题进行了简单分析。应用有限元方法建立复合钢筋混凝土新结构的简化模型,为复合梁提供了一个新的分析方法。本文为了更深入了解复合钢筋混凝土新结构的力学性能,开拓工程应用的前景,对尺寸为(4000mm×180mm×450mm)的复合钢筋混凝土新结构构件进行了抗弯试验,进一步验证复合钢筋混凝土新结构的优良的力学性能,并在此基础上对“放”与“阻”相结合结构设计思想进行试验研究。实验结果表明:复合钢筋混凝土新结构能够发挥各种材料的各自特点,承载力较普通钢筋混凝土受弯构件大大提高,使受弯构件中的裂缝得到了极大改善,开裂后的刚度显著改善。对“放”与“阻”相结合的结构设计思想进行试验研究,研究结果表明:新结构的极限承载力提高;新结构的刚度增大,由于采取了裂缝封闭技术,其整体刚度将得到提高,从而提高在挠度控制标准下的使用性能;新结构的抗裂性能提高,表现为同等荷载水平下的裂纹宽度要小;新结构的老裂纹在裂纹封闭后,基本不发展。并推导了体现“放”与“阻”相结合结构设计思想的新结构的极限承载能力计算公式。本文得到国家自然科学基金项目“基于断裂力学原理的钢筋混凝土复合新结构设计理论研究”和重庆市教委科技项目“基于破坏力学原理的桥梁损伤机理与维护加固技术”的资助。
In the paper the advantages and disadvantages of traditional reinforced concrete (RC) structures are summarized in brief, and the developing history and research status of application of FRP material to RC structures introduced.
Based on the previous achievements of the research team, three mechanical mechanisms are generalized for the GFRP composite RC beams according to the fracture mechanics in the paper, and the interface problem of the new structure preliminarily analyzed. The simplified model for the new composite RC beam was built with finite elements to provide a new analytical approach. To further explore the mechanical behavior of the new composite RC beam and promote its future engineering application, a number of specimen beams of big dimensions (4000mm×180mm×450mm) have been tested in flexure, the excellent mechanical properties of the new beam verified and the design idea combining‘release’with‘prevent’checked. The experimental results indicate that, in the new composite RC beam the advantages of each material can be fully exploited to give much higher bearing capacity than common RC beams, at the same time the crack distribution as well as the post-cracking rigidity of the new beam greatly improved. The experimental research of the structure design idea combining‘release’with‘prevent’proved the remarkable increase of the new beam’s ultimate bearing capacity, the improvement of the new beam’s post-cracking rigidity and anti-deflection properties due to closure of the cracks, and the enhancement of anti-crack performance which is shown by the smaller crack widths under the same load levels and the tiny development of the cracks after they have been closed at their lower openings. In addition, the calculating formula of the ultimate bearing capacity for the new beam with the design idea combining‘release’with‘prevent’is deduced in the paper.
在课题组前期研究的基础上,本文基于断裂力学基本原理归纳了GFRP复合钢筋混凝土梁用到的三个力学机理,并对新结构的界面问题进行了简单分析。应用有限元方法建立复合钢筋混凝土新结构的简化模型,为复合梁提供了一个新的分析方法。本文为了更深入了解复合钢筋混凝土新结构的力学性能,开拓工程应用的前景,对尺寸为(4000mm×180mm×450mm)的复合钢筋混凝土新结构构件进行了抗弯试验,进一步验证复合钢筋混凝土新结构的优良的力学性能,并在此基础上对“放”与“阻”相结合结构设计思想进行试验研究。实验结果表明:复合钢筋混凝土新结构能够发挥各种材料的各自特点,承载力较普通钢筋混凝土受弯构件大大提高,使受弯构件中的裂缝得到了极大改善,开裂后的刚度显著改善。对“放”与“阻”相结合的结构设计思想进行试验研究,研究结果表明:新结构的极限承载力提高;新结构的刚度增大,由于采取了裂缝封闭技术,其整体刚度将得到提高,从而提高在挠度控制标准下的使用性能;新结构的抗裂性能提高,表现为同等荷载水平下的裂纹宽度要小;新结构的老裂纹在裂纹封闭后,基本不发展。并推导了体现“放”与“阻”相结合结构设计思想的新结构的极限承载能力计算公式。本文得到国家自然科学基金项目“基于断裂力学原理的钢筋混凝土复合新结构设计理论研究”和重庆市教委科技项目“基于破坏力学原理的桥梁损伤机理与维护加固技术”的资助。
In the paper the advantages and disadvantages of traditional reinforced concrete (RC) structures are summarized in brief, and the developing history and research status of application of FRP material to RC structures introduced.
Based on the previous achievements of the research team, three mechanical mechanisms are generalized for the GFRP composite RC beams according to the fracture mechanics in the paper, and the interface problem of the new structure preliminarily analyzed. The simplified model for the new composite RC beam was built with finite elements to provide a new analytical approach. To further explore the mechanical behavior of the new composite RC beam and promote its future engineering application, a number of specimen beams of big dimensions (4000mm×180mm×450mm) have been tested in flexure, the excellent mechanical properties of the new beam verified and the design idea combining‘release’with‘prevent’checked. The experimental results indicate that, in the new composite RC beam the advantages of each material can be fully exploited to give much higher bearing capacity than common RC beams, at the same time the crack distribution as well as the post-cracking rigidity of the new beam greatly improved. The experimental research of the structure design idea combining‘release’with‘prevent’proved the remarkable increase of the new beam’s ultimate bearing capacity, the improvement of the new beam’s post-cracking rigidity and anti-deflection properties due to closure of the cracks, and the enhancement of anti-crack performance which is shown by the smaller crack widths under the same load levels and the tiny development of the cracks after they have been closed at their lower openings. In addition, the calculating formula of the ultimate bearing capacity for the new beam with the design idea combining‘release’with‘prevent’is deduced in the paper.
引文
[1] 叶见曙·结构设计原理·人民交通出版社·2000 年
[2] 丁大均·钢筋混凝土结构学·上海科学技术出版社·1986 年
[3] 过镇海·钢筋混凝土原理·清华大学出版社*1999 年
[4] 杨庆国·一种基于断裂力学原理的复合钢筋混凝土新结构研究·硕士论文·2002 年
[5] 赵千秋·复合钢筋混凝土新结构受弯构件正截面性能研究·硕士论文·2003 年
[6] 陈强·F R P 复合钢筋混凝土受弯构件实验研究及承载力极限状态数值模拟分析·硕士论文·2003 年
[7] 何小兵·复合钢筋混凝土新结构研究与“放阻”结合的裂缝控制新方法[硕士论文] ·2004年
[8] 甘贤军·GFRP 加固钢筋混凝土梁(受弯构件)试验研究[硕士论文]·2004 年
[9] 陈舣亦·GFRP 复合钢筋混凝土梁增强性能分析研究[硕士论文] ·2005 年
[10] 徐世琅、赵国藩·混凝土断裂力学研究·大连理工出版社·1991 年
[11] 岳清瑞,第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会论文集·2002
[12] Saadatmanesh Hajnid, Fiber ComPosite Plates can Strengthened Beams,Concrete International:Design&Construction,V.12,NO.3,1990
[13] Ritchie PhiliP A.,Thomas David A.,Lu Le wu,and Connelly Guy M.,External Reinforcement of Concrete Beams Using Fiber Reinforced Plastics,ACI Structural Journal,V.88,NO.4,1991
[14] Quantril1 R.J.,Hollaway L.C.,and Thorne A.M.,ExPerimental and AnalyticalInvestigation of FRP Strengthened Beam Response:Part l,Magazine of Concrete Research,V.48,NO.177,1996,
[15] Arduini Marco,Tommasa Angelo Di,and Nanni Antonio,Brittle Failure in FRP Plate and Sheet Bonded Beams,ACI Structural Journal,V.94,N0.4,1997
[16] Malek Alnir M.,Saadatmanesh Hamid,and Ehsani Moham.ad R.,“Prediction ofFailure Load of RC Beams Strengthened with FRP Plate Due to Stress Concentration at the Plate End,ACI Structural Journal,V.95,NO.l,1998
[17] Gangarao,Hota V.S.,Vijay P.V.,“Bending Behavior of concrete Beams Wrappedwith Carbon Fabric,ASCE Journal ofstructural Engineering,V.124,NO.l,1998
[18] Ross C.Allen,Jerome David M.,Tedesco JosePh W.,and Hughes Mary L., Strengthening of Reinforced Concrete Beams With Externally bonded CompositeLaminates,ACI Structural Journal,V.96,No.2,1999
[19] Yeong Soo,Chadon Lee, Flexural Beahavior Of Reinforced Concrete Beams Strenghed With Carbon Fiber-Reinforced Polymer Laminates At Different Levels Of sustaining Load ,ACIStructural Journal,V.100,NO.2,2003
[20] Marco Arduini ,Antonio Nanni,Beahvior Of Precracked RC Beams Strenthed With Carbon RRP Sheets, journal of composites for construction May 1997
[21] Oral Buyukozturk ,Failure Behavior Of Precracked Concrete Beams Retrofitted With FRP, journal of composites for construction August 1998
[22] 李明,陆洲导·玻璃钢围覆加固混凝土梁的试验研究·同济大学学报·2000 年
[23] 谢剑、赵彤·碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯承载力设计方法的研究·建筑技术·2002年
[24] 吴刚、吕志涛·外粘贴 CFRP 加固混凝土结构的抗弯设计方法·建筑结构·2000 年
[25] 李荣 、岳清瑞·碳纤维片(CFRP)加固修复混凝土特种结构·特种结构·2000 年
[26] 欧阳煜、钱在兹·粘贴片材加固混凝土梁时的端部剥离应力分析·建筑结构·2000 年
[27] 叶列平、方团卿等·碳纤维布在混凝土梁受弯加固中抗剥离性能的试验研究·2003 年
[28] 黄培彦、熊勇等·FRP 增强钢筋混凝土梁中纤维板长度优化研究·工业建筑·2003 年
[29] 尹双增·断裂、损伤理论及应用·清华大学出版社·1992 年
[30] 陈箎、蔡其巩、王仁智·工程断裂力学·国防工业出版社·1977 年
[31] 蔡四维、蔡敏·混凝土的损伤断裂·人民交通出版社·1999 年
[32] M .F.Kaplan.Crack propagation and the Fracture of concrete,Journal.of American concrete Institute,Vol.50,Vo.5,1961
[33] 杜家吉·混凝土中的断裂过程区模型·第六届全国断裂学术会议论文集·1991 年
[34] 张泽华、彭图让·水泥和混凝土的断裂韧度测试·第六届全国断裂学术会议论文集·1991
[35] (日)梅村魁、青山博之、伊藤胜(著)·林亚超(译)·结构实验和结构设计·人民交通出版社·1980 年
[36] 林圣华编·结构实验·南京工学院出版社·1987 年
[37] 贺曼罗·建筑结构胶粘剂施工应用技术·化学工业出版社·2001 年
[38] 姜勇,张波·ANSYS7.0 实例精解·清华大学出版社·2004 年
[39] 陆新征,汪见鲸·用 ANSYS SOLID65 单元分析混凝土组合结构复杂应力[J]建筑结构·2003
[40] Glucklich J ,Fracture Of Plain Concrete,Journal Of The Engineering Mechanics Divosion ,ASCE 1983 [41] K.J.巴特等·有限元数值分析中数值方法·科学出版社·1985年
[41] 王铁梦·工程裂缝控制·中国建筑工业出版社·1996 年
[2] 丁大均·钢筋混凝土结构学·上海科学技术出版社·1986 年
[3] 过镇海·钢筋混凝土原理·清华大学出版社*1999 年
[4] 杨庆国·一种基于断裂力学原理的复合钢筋混凝土新结构研究·硕士论文·2002 年
[5] 赵千秋·复合钢筋混凝土新结构受弯构件正截面性能研究·硕士论文·2003 年
[6] 陈强·F R P 复合钢筋混凝土受弯构件实验研究及承载力极限状态数值模拟分析·硕士论文·2003 年
[7] 何小兵·复合钢筋混凝土新结构研究与“放阻”结合的裂缝控制新方法[硕士论文] ·2004年
[8] 甘贤军·GFRP 加固钢筋混凝土梁(受弯构件)试验研究[硕士论文]·2004 年
[9] 陈舣亦·GFRP 复合钢筋混凝土梁增强性能分析研究[硕士论文] ·2005 年
[10] 徐世琅、赵国藩·混凝土断裂力学研究·大连理工出版社·1991 年
[11] 岳清瑞,第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会论文集·2002
[12] Saadatmanesh Hajnid, Fiber ComPosite Plates can Strengthened Beams,Concrete International:Design&Construction,V.12,NO.3,1990
[13] Ritchie PhiliP A.,Thomas David A.,Lu Le wu,and Connelly Guy M.,External Reinforcement of Concrete Beams Using Fiber Reinforced Plastics,ACI Structural Journal,V.88,NO.4,1991
[14] Quantril1 R.J.,Hollaway L.C.,and Thorne A.M.,ExPerimental and AnalyticalInvestigation of FRP Strengthened Beam Response:Part l,Magazine of Concrete Research,V.48,NO.177,1996,
[15] Arduini Marco,Tommasa Angelo Di,and Nanni Antonio,Brittle Failure in FRP Plate and Sheet Bonded Beams,ACI Structural Journal,V.94,N0.4,1997
[16] Malek Alnir M.,Saadatmanesh Hamid,and Ehsani Moham.ad R.,“Prediction ofFailure Load of RC Beams Strengthened with FRP Plate Due to Stress Concentration at the Plate End,ACI Structural Journal,V.95,NO.l,1998
[17] Gangarao,Hota V.S.,Vijay P.V.,“Bending Behavior of concrete Beams Wrappedwith Carbon Fabric,ASCE Journal ofstructural Engineering,V.124,NO.l,1998
[18] Ross C.Allen,Jerome David M.,Tedesco JosePh W.,and Hughes Mary L., Strengthening of Reinforced Concrete Beams With Externally bonded CompositeLaminates,ACI Structural Journal,V.96,No.2,1999
[19] Yeong Soo,Chadon Lee, Flexural Beahavior Of Reinforced Concrete Beams Strenghed With Carbon Fiber-Reinforced Polymer Laminates At Different Levels Of sustaining Load ,ACIStructural Journal,V.100,NO.2,2003
[20] Marco Arduini ,Antonio Nanni,Beahvior Of Precracked RC Beams Strenthed With Carbon RRP Sheets, journal of composites for construction May 1997
[21] Oral Buyukozturk ,Failure Behavior Of Precracked Concrete Beams Retrofitted With FRP, journal of composites for construction August 1998
[22] 李明,陆洲导·玻璃钢围覆加固混凝土梁的试验研究·同济大学学报·2000 年
[23] 谢剑、赵彤·碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯承载力设计方法的研究·建筑技术·2002年
[24] 吴刚、吕志涛·外粘贴 CFRP 加固混凝土结构的抗弯设计方法·建筑结构·2000 年
[25] 李荣 、岳清瑞·碳纤维片(CFRP)加固修复混凝土特种结构·特种结构·2000 年
[26] 欧阳煜、钱在兹·粘贴片材加固混凝土梁时的端部剥离应力分析·建筑结构·2000 年
[27] 叶列平、方团卿等·碳纤维布在混凝土梁受弯加固中抗剥离性能的试验研究·2003 年
[28] 黄培彦、熊勇等·FRP 增强钢筋混凝土梁中纤维板长度优化研究·工业建筑·2003 年
[29] 尹双增·断裂、损伤理论及应用·清华大学出版社·1992 年
[30] 陈箎、蔡其巩、王仁智·工程断裂力学·国防工业出版社·1977 年
[31] 蔡四维、蔡敏·混凝土的损伤断裂·人民交通出版社·1999 年
[32] M .F.Kaplan.Crack propagation and the Fracture of concrete,Journal.of American concrete Institute,Vol.50,Vo.5,1961
[33] 杜家吉·混凝土中的断裂过程区模型·第六届全国断裂学术会议论文集·1991 年
[34] 张泽华、彭图让·水泥和混凝土的断裂韧度测试·第六届全国断裂学术会议论文集·1991
[35] (日)梅村魁、青山博之、伊藤胜(著)·林亚超(译)·结构实验和结构设计·人民交通出版社·1980 年
[36] 林圣华编·结构实验·南京工学院出版社·1987 年
[37] 贺曼罗·建筑结构胶粘剂施工应用技术·化学工业出版社·2001 年
[38] 姜勇,张波·ANSYS7.0 实例精解·清华大学出版社·2004 年
[39] 陆新征,汪见鲸·用 ANSYS SOLID65 单元分析混凝土组合结构复杂应力[J]建筑结构·2003
[40] Glucklich J ,Fracture Of Plain Concrete,Journal Of The Engineering Mechanics Divosion ,ASCE 1983 [41] K.J.巴特等·有限元数值分析中数值方法·科学出版社·1985年
[41] 王铁梦·工程裂缝控制·中国建筑工业出版社·1996 年