【博士】CFRP筋束在體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的應(yīng)用研究【2008】

內(nèi)容簡介

　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：東南大學(xué)　　學(xué)位年度： 2008年　　CFRP筋是非金屬復(fù)合材料，具有強度高、重量輕、耐腐蝕等多項優(yōu)點，將其作為加強筋材替代鋼筋與混凝土結(jié)合配置，既可滿足混凝土橋梁的設(shè)計要求、提高橋梁跨越能力，又可提高其抗腐蝕性能?！　《兰o八十年代，美國、日本、德國等國家就已著手將CFRP筋作為橋梁結(jié)構(gòu)加強筋的應(yīng)用研究。為推進CFRP材料在我國橋梁工程中的應(yīng)用，解決鋼筋銹蝕及大跨度橋梁的建設(shè)等問題，本文結(jié)合國內(nèi)首座CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋梁的設(shè)計與建造，進行了理論與設(shè)計計算等多方面探索和創(chuàng)新研究。主要內(nèi)容如下?！　?．采用CFRP筋作體外預(yù)應(yīng)力束的分析　　CFRP筋可用作橋梁體外預(yù)應(yīng)力束，但其材性特殊，存在高應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變破壞、溫度線膨脹系數(shù)較混凝土小、彎折設(shè)置影響抗拉強度等問題，文中做了簡明的分析；并就CFRP筋用作體外束時的各項預(yù)應(yīng)力損失的計算方法、設(shè)計參數(shù)及設(shè)計中應(yīng)注意的問題等做了研究，給出了各項預(yù)應(yīng)力損失的實用計算方法或公式。探討了CFRP筋作為橋梁體外預(yù)應(yīng)力束的適用環(huán)境溫度及預(yù)防破壞措施。　　2．CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋正常使用極限狀態(tài)分析方法研究　　分析總結(jié)了CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的結(jié)構(gòu)特點，提出采用能量法分析CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力梁橋。在參照前人研究的基礎(chǔ)上，提出了可直接計入“二次效應(yīng)”影響的體外束應(yīng)變與梁體變形之間的關(guān)系表達式。進而就正常使用狀態(tài)下，不同轉(zhuǎn)向塊布置等情況推導(dǎo)了CFRP筋體外預(yù)應(yīng)力橋梁的荷載一變形基本方程，給出了荷載作用下體外CFRP筋束應(yīng)力增量及梁的撓度計算公式?！　?．CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋正常使用極限狀態(tài)影響因素分析　　分析總結(jié)了梁體內(nèi)采用有粘結(jié)CFRP筋梁的布筋方式及有效截面慣性矩的計算方法。根據(jù)由能量法推導(dǎo)得出的CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力梁橋的荷載．變形基本方程，分析了包括體外束布置形式(含偏心距、順橋向轉(zhuǎn)向塊間距)、體外束截面積和彈性模量、梁的截面幾何特性、荷載作用形式、二次效應(yīng)、跨高比等多項參數(shù)的影響?！　?．CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋受彎承載能力極限狀態(tài)分析方法研究　　總結(jié)了國外CFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受彎承載力試驗研究，分析其所表現(xiàn)的特點，并結(jié)合我國的鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范給出了CFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁破壞形態(tài)的界定方法；建立CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的截面平衡方程及受彎承載力計算公式。將能量法擴展應(yīng)用到CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝士梁橋受彎承載力極限狀態(tài)分析中，提出了考慮能量耗散的能量法，并推導(dǎo)了多種設(shè)計形式下梁的荷載．變形基本方程，用以分析CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的體外束極限應(yīng)力、極限撓度、二次效應(yīng)影響和極限荷載?！　?．CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋受彎承載能力極限狀態(tài)影響因素分析　　首先采用擴展的能量法就梁體內(nèi)配置鋼筋和梁體內(nèi)配置CFRP筋兩種情況進行分析，確定CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力梁在承載能力極限狀態(tài)下的等效塑性鉸區(qū)長度的主要影響岡素；繼而研究搜集國內(nèi)外39片體外預(yù)應(yīng)力梁的試驗數(shù)據(jù)，通過回歸分析得到梁內(nèi)設(shè)普通鋼筋及梁內(nèi)設(shè)CFRP筋兩種情況下的體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁體的等效塑性鉸區(qū)長度計算公式?！　≡诖嘶A(chǔ)上，分析了CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力梁橋的承載能力極限狀態(tài)影響因素，包括荷載作片J形式、體內(nèi)有粘結(jié)筋的配筋率、體內(nèi)有粘結(jié)筋的有效預(yù)慮力、體外束彈性模量、體外束截面面積、體外束的初始有效預(yù)應(yīng)力、混凝土強度、轉(zhuǎn)向塊間距、跨高比等。提出了CFRP筋束體外頂應(yīng)力混凝土橋梁在受彎承載能力極限狀態(tài)下的體外束極限應(yīng)力實用計算公式、梁體跨中極限撓度實用計算公式。　　6．CFRP筋束預(yù)應(yīng)力錨具研究　　分析總結(jié)了碳筋夾片式錨具主要的影響參數(shù)及合理的設(shè)計形式；研究了直筒粘結(jié)式碳絞線錨具。分析了環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的粘結(jié)和破壞機理，給出了環(huán)氧樹脂膠體的簡化應(yīng)力．應(yīng)變關(guān)系曲線，以粘結(jié)介質(zhì)與碳絞線界面的剪應(yīng)力為主要參數(shù)，通過非線性有限元方法分析了剪應(yīng)力分布特點及其與荷載的關(guān)系、錨具長度、粘結(jié)介質(zhì)厚度、彈性模量的影響和設(shè)端堵的影響；還討論了環(huán)氧樹脂的改良方法。給出了界面剪應(yīng)力簡化分布模式及直筒粘結(jié)式錨具承載力的簡化計算公式?！　?．CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的設(shè)計與施工　　設(shè)計了國內(nèi)首座采用碳絞線作體外預(yù)應(yīng)力束的公路橋梁。闡述了該橋的結(jié)構(gòu)特點及設(shè)計中的分析要點；同時分析了該橋的施工過程中碳絞線體外預(yù)應(yīng)力張拉施工的工藝要點。進而總結(jié)了CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力梁橋設(shè)計及施工建議。　　8．CFRP筋束體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋試驗　　進行了2片CFRP筋體外預(yù)應(yīng)力模型梁受彎承載力試驗，進一步驗證了能量法分析梁受彎承載力的可靠性。在碳絞線體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁建設(shè)過程中進行了相關(guān)試驗。試驗包括碳絞線材料力學(xué)性能試驗；張拉施工階段預(yù)應(yīng)力各項損失監(jiān)測；預(yù)應(yīng)力張拉過程及嗣后各施工階段中，混凝七梁的撓度、應(yīng)力以及體外束拉力變化的觀測，為文中有關(guān)分析方法提供了驗證依據(jù)?！　?

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