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GFRP筋混凝土桥面板设计方法的研究

作　者: 李春红
导　师: 魏德敏
学　校: 华南理工大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 混凝土板挠度裂缝宽度极限承载力 GFRP筋拱效应
分类号: U443.31
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

GFRP筋混凝土桥面板的现行设计方法主要是通过修正钢筋混凝土桥面板设计方法获得的，并以简支弯曲试验的研究成果作为依据。然而，实际工程中发现混凝土桥面板中存在的拱效应使其工作性能远高于规范设计的结果。为了揭示GFRP筋混凝土板中拱效应的工作机理，在正常使用阶段和极限承载力中考虑拱效应的影响，推导更合理的设计方法，本课题进行了试验研究、有限元分析和设计方法推导，主要完成如下工作：模拟单跨单向板在整体结构中的工作状态，设计一套试验装置对板带试件端部施加纵向和转动约束。加载试验研究表明，与配钢筋试件在筋材屈服后形成拱效应不同，开裂后GFRP筋试件在纵向约束作用下逐渐形成拱效应。由于GFRP筋的弹性模量较普通钢筋低，适筋试件中GFRP筋在正常使用阶段同拱效应的协同工作性能较钢筋优越。而配筋率相同时，适筋GFRP筋试件和钢筋试件的正常工作性能相似，可见拱效应弥补了GFRP筋刚度的不足。GFRP筋的配置对极限承载力的影响不明显，但直接决定试件的裂缝分布和破坏形态。少筋试件筋材断裂正截面混凝土压溃破坏。适筋试件和超筋试件均发生斜截面混凝土压溃，破坏时筋材应变远小于极限应变，这是因为拱效应提高了试件正截面的混凝土受压区高度，正截面承载力大于斜截面承载力。建立非线性有限元数值模型，摸清板带拱效应在不同参数下工作性能的变化规律。研究表明，纵向约束刚度与板带纵向抗压刚度比为0.2~1时，拱效应将使板带具有良好的工作性能；刚度比过高，则板带端部约束接近固支，拱效应作用增长幅度减缓，过低则板带正常工作性能差；随着板带跨度或厚度变化，纵向约束作用增大时等效拱的高跨比减小，等效拱的高跨比增加时纵向约束作用下降，板的跨度和厚度适中时，拱效应作用最优；在满跨均布加载、1/4跨对称集中加载和跨中集中加载三种模型的对比分析中发现，满跨均布加载模型的等效斜压杆宽度最大，拱效应的作用更为明显。基于试验研究及有限元分析的结果，推导建立考虑拱效应的GFRP筋桥梁面板设计方法。将开裂后的GFRP筋混凝土板带简化为三铰拱体系，纵向约束和底层筋材简化为拱脚的压簧和跨中的拉簧，定义等效三铰拱体系的关键参数，量化拱效应和筋材对板带力学性能的影响，结合虚功原理推导出GFRP筋混凝土板最大挠度的计算方法。在混凝土结构规范的基础上，以三铰拱体系的筋材应力代替受弯计算得到的筋材应力，修正体现筋材与混凝土粘结强度影响的系数，以及裂缝间混凝土伸长对裂缝宽度的影响系数，获得最大裂缝宽度的计算方法。进而，以三铰拱体系计算得到的混凝土受压区高度推导正截面极限承载力。假设斜裂缝的开展路径，以斜截面残余混凝土受压区高度推导斜截面极限承载力。板带极限荷载为两种极限承载力中的较小值。结合现有的针对钢筋混凝土桥面板设计研究的成果，将上述推导的板带设计方法应用到GFRP筋混凝土桥面板中，推导建立的理论分析方法与试验值吻合良好。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-16
第一章绪论  16-33
  1.1 课题研究的意义  16-17
  1.2 国内外研究现状  17-31
    1.2.1 正常使用极限状态的研究  17-23
    1.2.2 极限承载力的研究  23-26
    1.2.3 混凝土结构中拱效应(或压缩薄膜效应)的研究  26-31
  1.3 本文主要工作  31-33
第二章试验设计与结果分析  33-82
  2.1 试验设计  33-47
    2.1.1 试件设计  33-36
    2.1.2 材料属性  36-37
    2.1.3 夹具设计  37-40
    2.1.4 试验加载  40
    2.1.5 测点设置  40-42
    2.1.6 主要使用仪器  42
    2.1.7 试验过程  42-47
  2.2 试验现象  47-71
    2.2.1 筋材的影响  49-58
    2.2.2 纵向约束刚度的影响  58-64
    2.2.3 混凝土强度的影响  64-71
  2.3 试验结果分析  71-79
    2.3.1 拱效应的形成  71-72
    2.3.2 筋材的作用  72-74
    2.3.3 纵向约束刚度的作用  74-76
    2.3.4 混凝土强度的作用  76-79
  2.4 本章小结  79-82
第三章非线性有限元分析  82-115
  3.1 材料的本构关系  82-86
    3.1.1 混凝土的本构关系  82-85
    3.1.2 筋材的本构关系  85
    3.1.3 钢配件的本构关系  85-86
  3.2 建立有限元模型  86-94
    3.2.1 软件的选择  86-87
    3.2.2 建立几何模型  87-89
    3.2.3 设置材料模型  89-92
    3.2.4 单元类型  92
    3.2.5 划分网格  92-93
    3.2.6 定义破坏准则  93
    3.2.7 边界条件  93-94
    3.2.8 加载设置  94
  3.3 试验与有限元分析结果对比  94-99
    3.3.1 简支模型  94-95
    3.3.2 转动约束模型  95-97
    3.3.3 纵向及转动约束模型  97-99
  3.4 有限元参数分析  99-113
    3.4.1 纵向约束刚度变化  99-102
    3.4.2 板带跨度变化  102-105
    3.4.3 板带厚度变化  105-107
    3.4.4 加载形式变化  107-113
  3.5 本章小结  113-115
第四章 GFRP 筋混凝土桥面板设计方法  115-146
  4.1 板带的计算模型  115-121
    4.1.1 板带开裂前  115-116
    4.1.2 板带开裂后  116-117
    4.1.3 三铰拱几何参数  117-118
    4.1.4 筋材等效弹簧  118-120
    4.1.5 跨中混凝土受压区高度  120-121
  4.2 板带的最大挠度  121-123
    4.2.1 开裂前最大挠度  121
    4.2.2 开裂时挠度突变  121-122
    4.2.3 开裂后跨中竖向位移  122-123
    4.2.4 最大挠度的限值  123
  4.3 板带的最大裂缝宽度  123-127
    4.3.1 最大裂缝宽度的计算  123-126
    4.3.2 最大裂缝宽度的限值  126-127
  4.4 板带的极限承载力计算  127-131
    4.4.1 斜截面极限承载力  127-130
    4.4.2 正截面极限承载力  130
    4.4.3 极限承载力的确定  130-131
  4.5 桥面板的设计方法  131-134
    4.5.1 桥面板带的有效宽度  131-132
    4.5.2 纵向约束刚度的计算  132
    4.5.3 桥面板挠度及裂缝宽度的调整  132-133
    4.5.4 设计流程  133-134
  4.6 预测结果与试验结果对比分析  134-144
    4.6.1 最大挠度  134-139
    4.6.2 最大裂缝裂缝宽度  139-142
    4.6.3 极限承载力  142-144
  4.7 本章小结  144-146
结论  146-149
参考文献  149-159
攻读博士学位期间取得的研究成果  159-160
致谢  160-161
附件  161

GFRP筋混凝土桥面板设计方法的研究

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