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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)以其比强度高、比模量大、耐腐蚀、抗疲劳等优点而受到土木工程界的日益关注,将其用于土建交通基础设施中以解决钢材锈蚀问题的相关研究工作近年来不断增多且逐渐深入。为了既充分发挥FRP受拉强度高、耐腐蚀的优点,又充分利用混凝土受压强度高的优点,国内外学者对FRP-混凝土组合结构的形式和受力性能进行了研究。本文在前人提出的由混杂FRP型材和钢筋混凝土内芯组成的FRP-混凝土组合梁(以下简称FRP-RC组合梁)的基础上,创新性的提出了一种以钢筋受力为主的FRP-RC组合梁。这种组合梁将具备高极限承载力、高耐久性、高性价比和损伤可控等诸多优点。
基于以上思想,本文对钢筋受力为主的FRP-RC组合梁的受力性能及其相关的设计、施工技术进行了细致的研究,主要内容如下:
首先,在手糊制备出FRP型材的基础上,开发了生产大型薄壁FRP型材的真空导入成型工艺,制备出整体性能优良、质量稳定的FRP型材；并将这种型材用于制作FRP-RC组合梁,开发了相应的施工技术,提出了相应的施工建议。
同时,本文进行了混杂纤维混杂效应的试验研究和BFRP板与混凝土的界面性能研究。通过1CnB混杂纤维布(1层CFRP布和n层BFRP布的混杂布)的单向拉伸试验,研究了采用不同混杂比和不同铺层方式的混杂效应。通过开展BFRP板与混凝土的双面拉伸剪切试验,研究了FRP板与后浇混凝土湿粘结界面以及带剪力键的湿粘结界面的粘结性能；在此基础上分别提出了适用于湿粘结界面和带剪力键的湿粘结界面(Shear key-wet bonding interface,简称SK-WB界面)的粘结滑移本构关系,通过ANSYS有限元软件进行了SK-WB界面性能的数值模拟；最后提出了SK-WB界面的设计方法。
通过1根钢筋混凝土对比梁和11根混杂FRP-RC组合梁的受弯试验,研究了湿粘结界面的混杂FRP-RC组合梁的受弯性能和不同树脂对组合梁湿粘结界面的影响。通过对2根RC对比梁、6根BFRP-RC组合梁以及2根钢丝复合BFRP-RC组合梁在重复荷载下受弯性能的试验研究,对采用带剪力键的湿法外包式组合梁的荷载.位移关系、破坏模式、承载力、刚度、荷载应变关系等进行了较为深入的讨论和分析。研究发现,在单调荷载和重复荷载作用下,在加载直至极限破坏的整个受力过程中,所有SK-WB界面组合梁均未发现界面剥离现象,表明SK-WB界面是一种有效的界面方式。基于平截面假定建立了组合梁受力分析模型,对FRP-RC组合梁的屈服荷载和极限荷载进行了理论推导。将理论分析结果与试验值进行比较,结果表明计算公式能够较准确地预测组合梁的屈服抗弯承载力和极限抗弯承载力。
通过两批次共22根FRP-RC组合梁的受弯试验研究和有限元分析,研究了组合梁的受力性能随FRP参与受力比例的变化规律。证明了以钢筋受力为主的FRP-RC组合梁不仅延性好,而且具有良好、稳定并可设计的二次刚度。采用C++语言编写了基于“条带法”的有限元程序,并进行了FRP-RC组合梁的非线性有限元全过程分析。基于Opensees有限元软件建立了考虑卸载和重复加载的有限元模型,对组合梁在反复荷载下的受弯性能进行了数值模拟。研究了组合梁的卸载刚度随跨中挠度发展而退化的规律,推导了残余位移的预测公式,并最终评价了组合梁的可恢复性。经分析后推荐组合梁的二次刚度比设计值宜在(0.10～0.20)的区间内取值。
对FRP-RC组合梁在受拉纵筋屈服前和屈服后两个阶段的刚度进行了理论分析。将纵筋屈服前后的截面弯矩表达为受拉纵筋和FRP应变的函数,推导了增强材料应变不均匀系数的计算公式。通过全过程分析得到了受压区混凝土边缘平均应变综合系数随截面弯矩的变化规律,发现屈服后阶段的变化规律明显不同于普通钢筋混凝土梁。进一步通过全过程分析和回归分析,得到了FRP-RC组合梁三个不同受力阶段的刚度和跨中挠度的计算公式；将计算值与本文试验结果以及全过程分析结果进行了对比,结果表明所提公式具有较好的精度。经过大量文献数据的验证,证明了该公式可以推广到FRP片材加固混凝土梁。考虑FRP与混凝土之间粘结滑移的影响,对湿粘结界面组合梁屈服后阶段的刚度公式进行了修正。通过带剪力键的湿法外包式FRP-RC组合梁的疲劳受弯试验研究,证明了当组合梁的二次刚度比小于0.15时,组合梁的疲劳破坏模式是钢筋的疲劳断裂,增加底部纵向受拉纤维的量可以减小钢筋应力幅,显著提高结构的疲劳寿命。
最后,针对湿法外包式FRP-RC组合梁的受力特点,提出了两种简单实用的组合梁受弯承载力设计方法。