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原文传递 RPC的抗疲劳性能与CFRP索的抗冲击性能研究

论文题名：	RPC的抗疲劳性能与CFRP索的抗冲击性能研究
关键词：	活性粉末混凝土;抗疲劳性能;碳纤维增强复合材料;抗冲击性能;混凝土斜拉桥
摘要：	采用抗压比强度高、耐久性好的活性粉末混凝土（Reactive-Powder-Concrete，简称RPC）作斜拉桥的主梁和索塔，采用轻质、高强、耐腐蚀的碳纤维增强复合材料（Carbon-Fiber-Reinfoced-Plastics/Polymers，简称CFRP）作拉索，形成一种基于高性能材料的混凝土斜拉桥结构体系，有望进一步提高混凝土斜拉桥的适用跨径，并从根本上解决钢制拉索耐腐蚀性能较差等问题。关于这种新型结构体系的合理性，现有的研究成果已从结构静动力性能、经济性等角度进行了详细论证，但由于这两种高性能材料自身的特点，这种新型桥梁在实际运营过程中将会面临以下两方面的问题：其一、RPC抗压比强度高，可以使主梁截面减轻减薄，在减轻自重的同时，活载效应所占比例提高，随之出现疲劳问题；其二，抗剪性能较弱的CFRP拉索，在桥梁运营过程中可能承受来自车辆的横向撞击，故CFRP拉索及其锚固系统的抗冲击性能成为制约其应用的关键问题。　　然而，目前国内外对于RPC抗疲劳性能的研究还极为有限，对CFRP拉索抗冲击性能的研究还鲜有文献报道。因此，本文在国家自然科学基金课题“FRP拉索及其锚固系统抗冲击性能研究”（编号：51478177）和“基于高性能材料的大跨径混凝土斜拉桥的结构性能”（编号：51078134）的资助下，对RPC的抗疲劳性能和CFRP拉索的抗冲击性能进行研究，对解决高性能材料斜拉桥结构体系所面临的两个关键性问题具有实际意义。本文主要的研究工作包括：　　（1）建立了基于粘弹塑性模型的混凝土疲劳应变预测公式。在综述国内外混凝土疲劳应变预测模型的基础上，讨论了混凝土疲劳与徐变变形的关联性，从而引入徐变分析中常用的粘弹塑性模型，建立了混凝土疲劳应变的预测公式。随后以文献给出的普通混凝土疲劳应变演化曲线为依据，识别出考虑混凝土强度的模型参数，并以第三方文献的数据对公式和参数的适用性进行了验证。最后，研究了模型在混凝土疲劳变形刚度、疲劳损伤预测方面的应用。　　（2）进行了RPC单轴受压的疲劳性能试验。对采用不同钢纤维含量的RPC进行了受压静载和疲劳试验，总结了RPC疲劳破坏的典型特征，研究了疲劳应变的演化规律，归纳出了用于疲劳寿命预测的S-N曲线和疲劳强度。将混凝土疲劳应变预测公式应用于RPC，识别了模型参数，进而提出了适用于RPC的疲劳应变预测模型。　　（3）CFRP拉索纵向拉拔与横向加载静力试验研究。对采用 RPC粘结式锚具的单根CFRP绞线筋、单根CFRP棒材两种CFRP拉索及锚具组装件共计14个试件进行了纵向静力拉拔试验和横向静载试验，研究了 CFRP拉索在纵、横向静力荷载作用下的破坏形态和受力性能。基于试验结果，得出了 CFRP拉索纵向静力拉拔与横向静载的极限承载力、极限索力、极限变形等指标。　　（4）CFRP拉索及其锚固系统横向抗冲击性能试验研究。对单根CFRP绞线筋、单根CFRP棒材两种CFRP拉索及锚具组装件共计16个试件进行了落锤横向冲击试验。实测了冲击力、索力、纵横向变形时程曲线，研究了包括锚固长度、初张力水平、冲击能量大小、筋材种类、重复冲击次数在内的多个参数对CFRP拉索及其锚固系统抗冲击性能的影响，明确了CFRP拉索的冲击破坏机理。　　（5）CFRP拉索抗冲击防护形式试验研究。以传统钢拉索的防护方式为依据，探究了CFRP拉索可行的防护类型。对外层设置PVC套管，内层填充不同防护材料的单根CFRP绞线、单根CFRP棒材两种CFRP拉索及锚具组装件共计14个试件进行了落锤横向冲击试验。对比分析了不同防护类型、不同筋材种类以及重复冲击次数等因素对CFRP拉索抗冲击承载能力、变形及耗能能力的影响，提出了适用的防护形式。　　（6）CFRP拉索抗冲击性能分析。在经典的SDOF模型基础上，考虑几何非线性和有效能量两项修正，提出用于CFRP绞线冲击响应预测的修正SDOF模型。对于冲击过程中出现滑移的CFRP棒材，分析过程中分别考虑滑移前、后预张力与有效能量的变化。将修正SDOF模型应用于CFRP绞线和CFRP棒材的冲击响应预测，结果表现出较高的精度。该模型为实际CFRP拉索横向冲击响应的预测及损伤状态评估提供了一个简化分析工具。基于实测结果，对比分析了横向静载、冲击作用下CFRP绞线与CFRP棒材的受力与变形性能。
作者：	向宇
专业：	土木工程
导师：	方志
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文