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GFRP筋混凝土梁环境效应试验与数值模拟

赵霞

  复合材料在结构工程中的使用领域越来越大,玻璃纤维复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer,GFRP)作为一种常用的复合材料,除了用来加固结构外,还经常替代结构中的普通钢筋,形成GFRP筋混凝土构件,消除普通钢筋锈蚀对混凝土结构使用性能造成的损伤,延长混凝土结构使用寿命。结构物通常处于一定的环境状态中,或多或少都受到环境的影响,GFRP也不例外,相比其他类型的复合材料受环境影响的程度更大。在使用过程中的环境效应如何,有待进一步深入研究,找出变化规律,为GFRP筋混凝土梁的设计和使用提供参考数据。首先,在混凝土中掺入一定体积含量的耐碱玻璃纤维(长36mm,长径比为58),体积掺入量分别为0.0%、0.3%、0.5%、0.8%、1.0%、1.3%和1.5%。根据美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)和国内有关试验标准规程,采用试验研究的方法,得出玻璃纤维混凝土(Glass Fiber Reinforced Concrete,GFRC)抗渗性能良好,当纤维掺入量为0.5%时抗压强度最高,当纤维掺入量为1.5%时,纤维混凝土的弯曲韧性指数和弯曲断裂能最大,抗折强度的最大点出现在纤维掺入量为0.5%时,纤维掺入量在0.5%~1.3%范围内吸收冲击动能上升显著。拟合回归曲线方程,得出GFRC抗折强度和断裂能与纤维含量之间的变化规律。对GFRC进行SEM(Scanning Electron Microscope)和EDS(Energy Dispersive Spectrometer)微观试验,得出在0.5%~1.0%的纤维掺入量范围内混凝土浆液与纤维包裹良好,内部水化产物均匀,纤维对混凝土内部水化反应没有影响。其次,制作54根GFRP筋混凝土梁,进行预裂和持续荷载处理后,分别放置在一般室外、水侵蚀溶液和强碱侵蚀溶液(PH值为13)环境下,持续作用时间分别为90d、180d和360d,进行四点弯曲承载力试验,采用试验与理论计算分析相结合的方法,获得GFRP筋混凝土梁承载力的环境效应规律。3种环境效应中强碱侵蚀溶液的破坏作用最为显著,随着环境逐渐恶劣其承载力和挠度逐渐降低,裂缝逐渐减小,裂缝平均间距增大,对裂缝平均间距引入环境影响系数进行修正,同时修正了裂缝最大宽度理论计算公式,最小配筋率和平衡配筋率呈现上升的变化规律,受压区高度呈现下降的趋势,弯矩-曲率曲线逐渐下降。采用能量法对GFRP筋混凝土梁跨中截面进行了延性系数计算,得出位移延性系数环境效应呈现下降的变化规律,短期抗弯刚度逐渐上升,同时预测了GFRP筋混凝土梁的环境效应长期变形趋势。对GFRP筋混凝土梁的相关参数与环境影响系数进行拟合,得到相应变化规律的回归曲线方程式。最后,通过试验得到了纤维含量分别为0.0%、0.5%、1.0%和1.5%的纤维混凝土轴压、轴拉应力-应变全曲线本构模型及相关本构参数,采用有限元软件ABAQUS对纤维掺入量分别为0.0%、0.5%、1.0%和1.5%的GFRP筋纤维混凝土梁进行数值模拟,当纤维含量为1.0%时GFRP筋纤维混凝土梁的承载能力最好,玻璃纤维掺入量在0.5%~1.0%时的GFRP筋混凝土梁承受60%左右荷载,在此范围内纤维可起到良好的“桥联”作用,抑制了裂缝的发展,但是随着荷载的增大“桥联”作用消失。通过对模拟和试验进行对比分析,指出GFRP筋混凝土梁中掺入一定体积含量的耐碱玻璃纤维有效提升了梁的承载力,减少境恶化对GFRP筋混凝土梁承载力的影响。……   
[关键词]:纤维混凝土;GFRP筋混凝土梁;环境效应;数值模拟
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:武汉理工大学2017年
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