FRP-UHPFRCC复合薄壁箱梁的抗剪性能研究

作     者：潘柏兆 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘锋

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：FRP网格 超高性能混凝土 超高性能工程用水泥基复合材料 箱梁 抗剪性能 

摘      要：本文针对桥梁工程建设和海洋工程建设的需求,结合纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,简称FRP）和超高性能纤维增强水泥基复合材料（Ultra-high performance fiber reinforced cementitious composites,简称UHPFRCCs）两种高性能材料的优点,提出了一种新型薄壁构件——FRP网格增强UHPFRCC箱梁（简称FRPUHPFRCC复合箱梁）。为了响应国家大力发展装配式结构的政策,本文提出的FRPUHPFRCC复合箱梁可以在工厂中预制,主要应用于大跨径箱梁桥和海底沉管隧道等对承载力、刚度、耐久性要求较高的结构中。箱梁的抗剪性能一直是研究人员和工程师重点关注的问题,因此本文结合试验、理论分析和有限元模拟等研究方法深入探究了FRP-UHPFRCC复合箱梁的抗剪性能,主要的研究内容如下:（1）本文采用的UHPFRCC包括超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete,简称UHPC）和超高韧性水泥基复合材料（Ultra-high performance engineering cementitious composite,简称UHPECC）。通过圆柱体抗压试验测得UHPC和UHPECC的轴心抗压强度、弹性模量和泊松比。试验结果表明,UHPC和UHPECC的轴心抗压强度均可达到120MPa以上。通过单轴拉伸试验测得UHPC和UHPECC的初裂强度、极限抗拉强度和极限拉应变。试验结果表明,UHPC和UHPECC的抗拉强度均可达到8MPa以上。（2）对6根FRP-UHPC复合箱梁和1根无配置网格的FRP筋UHPC箱梁进行四点弯曲试验,研究了剪跨比、钢纤维体积掺入率和FRP网格层数对FRP-UHPC复合箱梁抗剪性能的影响。试验结果表明,剪跨比大于2的FRP-UHPC复合箱梁均发生了剪压破坏,而剪跨比小于2的FRP-UHPC复合箱梁发生了斜压破坏。无配置网格的FRP筋UHPC箱梁发生了斜拉破坏。随着剪跨比减小、钢纤维体积掺入率增加和网格层数增加,FRP-UHPC箱梁的抗剪承载力都有所提高。（3）对3根FRP-UHPECC复合箱梁进行四点弯曲试验,主要研究了剪跨比对FRPUHPECC复合箱梁抗剪性能的影响。试验结果表明,剪跨比大于2的FRP-UHPECC复合箱梁均发生了剪压破坏,而剪跨比小于2的FRP-UHPECC复合箱梁发生了斜压破坏。随着剪跨比减小,FRP-UHPECC箱梁的抗剪承载力提高。（4）在试验研究的基础上,根据桁架-拱模型建立一个预测FRP-UHPFRCC复合箱梁抗剪承载力的理论计算公式。经过对比发现,理论计算值与试验值吻合较好,数据离散性小,因此本文提出的理论模型可以用于预测FRP-UHPFRCC复合箱梁的抗剪承载力。另外,基于试验结果对现有规范提供的UHPC梁抗剪承载力计算公式和FRP网格抗剪贡献计算公式进行修正。经过修正后的公式计算结果与试验结果较为吻合,数据离散性小,可用于FRP-UHPC复合箱梁的斜截面承载力计算。（5）利用有限元软件ABAQUS/Standard对FRP-UHPC/UHPECC复合箱梁的抗剪性能进行数值模拟,研究了剪跨比、钢纤维体积掺入率和网格层数对FRP-UHPC复合箱梁抗剪性能的影响,以及研究了剪跨比对FRP-UHPECC复合箱梁抗剪性能的影响。分析表明,有限元模拟结果与试验结果吻合较好,数据离散性小,本文提出的有限元模型可用于预测FRP-UHPC/UHPECC复合箱梁的抗剪承载力。（6）将FRP-UHPC/UHPECC复合箱梁与普通GFRP筋混凝土梁进行经济性对比。结果表明,FRP-UHPC复合箱梁的性价比最高。