配GFRP箍筋预应力CFRP筋混凝土梁受剪性能试验与理论研究

In order to overcome corrosion problem of conventional prestressed and nonprestressed steel reinfocements, the use of fiber reinforced polymer reinforcements (FRP reinforcements, mainly including nonprestressed GFRP reinforcements, prestressed CFRP reinforcements and GFRP stirrups) has emerged as an alternative solution. Since 1990s, extensive studies have been conducted to investigate flexural behavior of concrete beams prestressed with CFRP reinforcements. However, very limited research on shear behavior of the beams with GFRP stirrups has been conducted. This project presented herein aims to systematically study shear shear behavior of CFRP prestressed concrete beam with GFRP stirrups through experiment studies and nonlinear analyses. Then, based on multi-parameter experimental study, a mechanic-based model for bend strength of GFRP stirrups is proposed by accounting for the effect of environment and creep rupture, and a calculation method for dowel action of prestressed CFRP and nonprestressed GFRP reinforcement is derived. Finally, considering the size effect and the effect of prestressing force, the criterion between typical shear failure modes is put forward, and the shear design approach of CFRP prestressed concrete beams with GFRP stirrups is proposed by modifying the truss model. The achievements of this project will provide verificationss for the application of CFRP prestressed concrete beams with GFRP stirrups in our country and the draft of the relevant codes.

为彻底解决预应力混凝土结构中预应力钢筋与非预应力钢筋的锈蚀问题，采用纤维塑料筋（即FRP筋，主要包括预应力CFRP纵筋、非预应力GFRP纵筋以及GFRP箍筋）是一种行之有效的方法。自上世纪90年代以来，国内外大力开展了预应力CFRP筋混凝土梁的研究，但已有研究主要集中在梁受弯性能方面，而对于其受剪性能及其设计理论的研究则几乎是空白。本项目拟系统开展配GFRP箍筋预应力CFRP筋混凝土梁受剪性能的试验研究与非线性分析；基于多参数模型试验，建立考虑环境影响与蠕变断裂系数的、GFRP箍筋弯拉强度计算模型，提出预应力CFRP纵筋与非预应力GFRP纵筋销栓作用的计算方法；综合考虑梁受剪承载力尺寸效应以及预应力效应的影响，建立梁典型受剪破坏模式的判别准则，提出基于修正桁架模型的梁受剪承载力的设计计算理论。本项目成果将为配GFRP箍筋预应力CFRP筋混凝土梁的工程应用以及有关设计规范的编制提供技术依据。

为彻底解决预应力混凝土结构中预应力钢筋与非预应力钢筋的锈蚀问题，采用纤维增强复合材料筋（即FRP筋，主要包括预应力CFRP纵筋、非预应力GFRP纵筋以及GFRP箍筋）是一种行之有效的方法。自上世纪90年代以来，国内外大力开展了预应力CFRP筋混凝土梁的研究，但已有研究主要集中在梁受弯性能方面，而对于其受剪性能及其设计理论的研究则几乎是空白。因此，本项目系统开展了配GFRP箍筋预应力CFRP筋混凝土梁受剪性能的试验与理论研究。研发了两种物理力学性能良好的新型GFRP箍筋（矩形螺旋箍筋和单个封闭箍筋），提出了其弯拉强度计算模型。通过混凝土环境耐久性试验与长期蠕变试验，确定了GFRP箍筋的环境影响系数。通过23根足尺无腹筋梁受剪性能试验，研究了预应力CFRP筋混凝土梁的剪切破坏机理。研究表明：预应力CFRP筋混凝土梁的剪切破坏模式为剪压破坏和斜压破坏；预应力FRP筋混凝土梁达到极限状态时，由骨料咬合承担的剪力非常有限，受压区混凝土和箍筋为主要的剪力传递机理；增加预应力大小或增加纵筋轴向刚度均能延迟剪切裂缝的形成，提高梁的抗剪承载力；当纵筋轴向刚度和预应力大小相同时，纵筋类型对剪切开裂荷载和抗剪承载力影响不大；当梁发生剪切破坏时，最大GFRP箍筋应变大于0.006，且大于现行设计规范中的应变限值；预应力FRP筋混凝土梁的抗剪承载力随着GFRP配箍率的提高而增加；当配箍率相同时，配置GFRP螺旋箍筋的梁的抗剪承载力高于配置单个GFRP箍筋的梁。开展非线性有限元分析，研究确定了关键参数对抗剪承载力等的影响规律；综合考虑FRP纵筋的销栓作用、梁截面受剪承载力的尺寸效应、骨料咬合、预应力效应和FRP箍筋等多种抗剪机理，基于修正桁架模型，提出了配FRP箍筋预应力FRP筋混凝土梁受剪承载力设计计算方法与构造措施。本项目成果被纳入相关行业标准和上海市标准，为配GFRP箍筋预应力CFRP筋混凝土梁的工程应用提供了技术依据。