预应力FRP－混凝土组合梁试验与理论研究

为了解决体外预应力钢－混凝土组合梁中钢梁、体外预应力钢筋与普通钢筋的锈蚀问题，申请者提出了一种新型预应力FRP－混凝土组合梁方案，它采用GFRP型材替代钢梁，CFRP筋替代体外预应力钢筋，GFRP筋则用来替代普通钢筋。初步理论分析表明，预应力FRP－混凝土组合梁可充分发挥混凝土和FRP各自的材料特点，具有抗腐蚀性能好、承载力高、刚度大、抗裂性能好、抗疲劳性能优良、重量轻、施工便捷等特点，适用于重载与大跨结构。本项目拟首先通过标准推出试验对适用于FRP－混凝土组合梁的三种抗剪连接件的破坏模式、设计方法与构造要求等进行系统的研究，在此基础上，开展大尺度模型单调静力试验与长期加载试验、时随全过程模拟与理论分析，对预应力FRP－混凝土组合梁的破坏模式、失效机理、设计方法与构造措施等进行深入的研究。本项目研究成果将为预应力FRP－混凝土组合梁的工程应用以及有关设计规范的编制提供技术依据与基础数据。

本项目系统地开展了预应力FRP—混凝土组合梁试验和理论研究，主要研究工作与结论包括：.(1) 通过48个GFRP连接件的单调静力试验，探讨了混凝土强度等级、贯通筋直径、开孔板间距等对开孔板连接件与树脂粘结层连接件的抗剪承载力的影响。结果表明：GFRP连接件的破坏模式分为粘结层破坏和开孔板根部剪切破坏两类；混凝土强度的提高对开孔板连接件抗剪承载力的影响不大；多排开孔板的平均单排承载力小于单排开孔板的承载力。提出了GFRP开孔板连接件抗剪承载力的设计计算方法，并建立了GFRP开孔板连接件P－S曲线模型。.(2) 完成了两根体外预应力FRP－混凝土组合梁的单调静力试验研究，研究表明：试件的最终破坏形态为FRP型材与混凝土板发生连接破坏；破坏时开孔板连接件试件比环氧粘结试件的滑移小约58%；环氧粘结试件的截面抗弯刚度比开孔板连接件试件高约23.8%。采用有限元软件ABAQUS对32根FRP－混凝土组合梁进行了参数分析，并推导了考虑滑移效应、预应力筋应力增量和矢高变化的、体外预应力FRP－混凝土组合梁抗弯承载力和变形计算公式。.(3) 开展了5根为期200天的、预应力FRP－混凝土组合梁的长期性能试验，重点研究了抗剪连接构造和外荷载大小等参数对预应力FRP－混凝土组合梁长期性能的影响。结果表明：预应力可明显减少组合梁的附加跨中变形量；随着剪力连接程度的增强，组合梁的附加跨中变形逐渐减小。在综合考虑混凝土收缩徐变与GFRP型材徐变、预应力CFRP筋松弛等因素影响的基础上，提出了组合梁长期挠度的设计计算方法。.(4) 开展了7根预应力CFRP筋混凝土梁为期450天的长期性能试验，研究了混凝土收缩、徐变和预应力CFRP筋松驰对预应力混凝土梁长期性能的影响。结果表明：随着时间的增长，梁体跨中变形不断增加，且前期较快，后期趋于平缓；与预应力钢筋混凝土梁相比，预应力CFRP筋混凝土梁长期变形较大；体外预应力可以有效减小预应力CFRP筋混凝土梁跨中附加变形。基于试验研究成果和有限元参数分析，建立了预应力CFRP筋混凝土梁长期变形计算的理论模型，并提出了有关简化计算方法。.本项目研究成果将为预应力FRP－混凝土组合梁的工程应用以及有关设计规范的编制提供技术依据与基础数据。