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原文传递 FRP-混凝土组合梁/桥面结构试验、分析与设计方法

论文题名：	FRP-混凝土组合梁/桥面结构试验、分析与设计方法
关键词：	FRP-混凝土组合梁/桥面结构;结构试验;力学性能;等效能量法;设计荷载
摘要：	纤维增强聚合物（FiberReinforcedPolymer,FRP）材料以其比强度高、比模量大、耐腐蚀、抗疲劳等特性而受到土木工程界的日益关注，近年来被广泛地用于桥梁结构以解决日益严重的钢材锈蚀问题。然而，纯FRP结构却存在初次投入大、刚度低、脆性破坏、强度利用率低等缺点。为了充分发挥各种材料的优势和解决上述问题，FRP-混凝土组合结构被认为是一种最有效的组合形式。　　本文以单车道简支板式桥为背景，对FRP材料性能、FRP板与混凝土粘结性能、FRP-混凝土组合梁/桥面结构的基本力学性能与设计方法等方面，进行了比较系统的研究，主要研究内容如下：　　首先，对本文试验所用FRP板进行了拉伸、压缩和面内剪切试验研究，并将试验结果与理论预测值进行了对比分析，同时利用基于等效能量法的双线性模型拟合了实测的应力-应变曲线，还阐述了多向FRP板热膨胀系数的理论预测方法。　　其次，通过90个FRP板条与混凝土块的两批单剪试验，对4种FRP板与混凝土之间连接方式（粘粗砂法、环氧胶粘结法、FRP剪力键法以及采用剪力键和粘粗砂的综合法）的粘结性能进行了较系统的研究，考察了这4种连接方式的粘结破坏特征和粘结-滑移关系，分析了多种因素对FRP板与混凝土间粘结性能的影响，并提出了FRP剪力键抗剪设计方法。试验结果表明：4种优化后的连接方式均可作为FRP-混凝土组合结构中有效的组合界面连接措施。　　第三，阐述了FRP材料与价格低廉的混凝土结合形成一种轻质、耐腐蚀且价格相对便宜的组合梁的设计思路，详细介绍了该类型组合梁中可能发生的各种失效模式及其变形和刚度的计算方法，提出了用于组合梁初步设计的简化分析方法，并给出了三种优化失效模式下的设计步骤，同时讨论了组合梁的拟延性特征，还给出了组合梁的设计算例。　　第四，以单车道简支板式桥面为背景，阐述了FRP-混凝土组合桥面结构的设计荷载与设计准则，对该组合桥面结构进行了初步概念设计，详细分析了组合桥面结构中的各项参数：桥面高度、混凝土层厚度、FRP腹板厚度、FRP下翼缘厚度、FRP上翼缘厚度、梁宽和FRP外包层厚度，并基于有限元分析得出了组合桥面结构的最终设计方案。　　第五，对1根纯FRP梁、3根FRP-混凝土组合梁和1个单车道FRP-混凝土组合桥面结构的1/3比例模型进行了静载（等效车辆荷载）试验：弯曲非破坏试验（中心弯曲与偏心弯曲）和弯曲破坏试验，以检验其变形和强度是否满足实际工程的要求，并了解了FRP-混凝土组合试件中各种连接的性能，同时考察了组合试件的极限抗弯承载力及其失效模式。研究表明：设计的组合桥面结构试件完全满足我国桥梁规范中的要求。　　最后，对FRP-混凝土组合梁/桥面结构试件进行了线性和非线性有限元分析，并将数值解与试验结果进行了对比分析，以研究有限元分析的适用性。利用线性有限元分析对原型组合桥面结构进行了承载能力极限状态分析和热应力分析，分别用于研究原型桥面结构在承载能力极限状态下和在温差效应下的性能。研究结果表明：有限元分析可以很好地预测试件的静力性能，温差效应对组合结构非常不利。
作者：	王言磊
专业：	土木工程、防灾减灾工程与防护工程
导师：	欧进萍
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文