【博士】CFRP筋束在体外预应力桥梁中的应用研究【2008】

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内容简介

　　学科专业：桥梁与隧道工程　　授予学位：博士 　　学位授予单位：东南大学　　学位年度： 2008年　　CFRP筋是非金属复合材料，具有强度高、重量轻、耐腐蚀等多项优点，将其作为加强筋材替代钢筋与混凝土结合配置，既可满足混凝土桥梁的设计要求、提高桥梁跨越能力，又可提高其抗腐蚀性能。　　二十世纪八十年代，美国、日本、德国等国家就已着手将CFRP筋作为桥梁结构加强筋的应用研究。为推进CFRP材料在我国桥梁工程中的应用，解决钢筋锈蚀及大跨度桥梁的建设等问题，本文结合国内首座CFRP筋束体外预应力混凝土公路桥梁的设计与建造，进行了理论与设计计算等多方面探索和创新研究。主要内容如下。　　1．采用CFRP筋作体外预应力束的分析　　CFRP筋可用作桥梁体外预应力束，但其材性特殊，存在高应力状态下的蠕变破坏、温度线膨胀系数较混凝土小、弯折设置影响抗拉强度等问题，文中做了简明的分析；并就CFRP筋用作体外束时的各项预应力损失的计算方法、设计参数及设计中应注意的问题等做了研究，给出了各项预应力损失的实用计算方法或公式。探讨了CFRP筋作为桥梁体外预应力束的适用环境温度及预防破坏措施。　　2．CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥正常使用极限状态分析方法研究　　分析总结了CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥的结构特点，提出采用能量法分析CFRP筋束体外预应力梁桥。在参照前人研究的基础上，提出了可直接计入“二次效应”影响的体外束应变与梁体变形之间的关系表达式。进而就正常使用状态下，不同转向块布置等情况推导了CFRP筋体外预应力桥梁的荷载一变形基本方程，给出了荷载作用下体外CFRP筋束应力增量及梁的挠度计算公式。　　3．CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥正常使用极限状态影响因素分析　　分析总结了梁体内采用有粘结CFRP筋梁的布筋方式及有效截面惯性矩的计算方法。根据由能量法推导得出的CFRP筋束体外预应力梁桥的荷载．变形基本方程，分析了包括体外束布置形式(含偏心距、顺桥向转向块间距)、体外束截面积和弹性模量、梁的截面几何特性、荷载作用形式、二次效应、跨高比等多项参数的影响。　　4．CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥受弯承载能力极限状态分析方法研究　　总结了国外CFRP筋预应力混凝土梁的受弯承载力试验研究，分析其所表现的特点，并结合我国的钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范给出了CFRP筋预应力混凝土梁破坏形态的界定方法；建立CFRP筋束体外预应力混凝土梁的截面平衡方程及受弯承载力计算公式。将能量法扩展应用到CFRP筋束体外预应力混凝士梁桥受弯承载力极限状态分析中，提出了考虑能量耗散的能量法，并推导了多种设计形式下梁的荷载．变形基本方程，用以分析CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥的体外束极限应力、极限挠度、二次效应影响和极限荷载。‘　　5．CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥受弯承载能力极限状态影响因素分析　　首先采用扩展的能量法就梁体内配置钢筋和梁体内配置CFRP筋两种情况进行分析，确定CFRP筋束体外预应力梁在承载能力极限状态下的等效塑性铰区长度的主要影响冈素；继而研究搜集国内外39片体外预应力梁的试验数据，通过回归分析得到梁内设普通钢筋及梁内设CFRP筋两种情况下的体外预应力混凝土梁体的等效塑性铰区长度计算公式。　　在此基础上，分析了CFRP筋束体外预应力梁桥的承载能力极限状态影响因素，包括荷载作片J形式、体内有粘结筋的配筋率、体内有粘结筋的有效预虑力、体外束弹性模量、体外束截面面积、体外束的初始有效预应力、混凝土强度、转向块间距、跨高比等。提出了CFRP筋束体外顶应力混凝土桥梁在受弯承载能力极限状态下的体外束极限应力实用计算公式、梁体跨中极限挠度实用计算公式。　　6．CFRP筋束预应力锚具研究　　分析总结了碳筋夹片式锚具主要的影响参数及合理的设计形式；研究了直筒粘结式碳绞线锚具。分析了环氧树脂粘结剂的粘结和破坏机理，给出了环氧树脂胶体的简化应力．应变关系曲线，以粘结介质与碳绞线界面的剪应力为主要参数，通过非线性有限元方法分析了剪应力分布特点及其与荷载的关系、锚具长度、粘结介质厚度、弹性模量的影响和设端堵的影响；还讨论了环氧树脂的改良方法。给出了界面剪应力简化分布模式及直筒粘结式锚具承载力的简化计算公式。　　7．CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥的设计与施工　　设计了国内首座采用碳绞线作体外预应力束的公路桥梁。阐述了该桥的结构特点及设计中的分析要点；同时分析了该桥的施工过程中碳绞线体外预应力张拉施工的工艺要点。进而总结了CFRP筋束体外预应力梁桥设计及施工建议。　　8．CFRP筋束体外预应力混凝土梁桥试验　　进行了2片CFRP筋体外预应力模型梁受弯承载力试验，进一步验证了能量法分析梁受弯承载力的可靠性。在碳绞线体外预应力混凝土桥梁建设过程中进行了相关试验。试验包括碳绞线材料力学性能试验；张拉施工阶段预应力各项损失监测；预应力张拉过程及嗣后各施工阶段中，混凝七梁的挠度、应力以及体外束拉力变化的观测，为文中有关分析方法提供了验证依据。　　

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