BFRP型材-混凝土组合梁桥失效机理与计算方法研究

轻质、高强、耐久是当今桥梁工程的发展方向。本课题提出并研究了一种装配式连续玄武岩纤维 (Continuous Basalt Fiber， CBF) 梁-混凝土组合梁桥，该体系能充分发挥玄武岩纤维复合材料（Basalt FRP，BFRP）的技术优势，具有轻质、高强、耐久的优点，且便于施工。 拟通过理论分析、实验研究和数值仿真相结合的技术路线，对这一新型玄武岩纤维组合梁桥的失效机理与计算方法进行研究。对BFRP网格单元构形仿真模拟，研究该体系的合理构造形式；对比研究金属剪力连接件和BFRP剪力连接件的性能，掌握BFRP梁与混凝土板界面的黏结滑移关系；研究该结构体系总体和局部失效机理，并通过构造和计算措施对失效模式进行优化；建立能考虑材料各项异性、界面黏结滑移效应的简化计算方法和力学模型。 本课题是一项针对新材料、新结构体系的应用基础研究。

当前，FRP型材在桥梁工程中的应用形式主要用作传力构件的桥面板结构，本项目创新地提出了将FRP型材用作桥梁的主承力构件的FRP型材梁-混凝土桥面组合梁桥这一新型结构形式。.（1）对FRP型材梁抗剪强度过低的现象进行了研究并提出高抗剪强度FRP拉挤型材制作新工艺。对FRP型材的基本力学特性进行了试验研究，从复合材料细观力学层面，解释了拉挤成型FRP型材剪切强度低的机理。针对FRP型材剪切强度与抗拉强度严重不匹配这一现象，创新提出了高抗剪强度FRP型材的新型制备工艺。基于拉挤成型工艺，采用通过二次复合方法，对FRP型材腹板纤维铺陈方向进行调整，从而改善FRP型材剪切强度。试验结果表明，新型成型工艺显著提高了其的剪切强度，改善了剪切破坏的延性能力。.（2）对FRP型材-混凝土组合梁桥失效机理进行了研究，揭示失效模式多样化的特点。对比研究了3种创新设计的界面连接件进行梁式和推出试验，提出优化设计的界面连接件，并揭示其界面失效机理。针对整体和局部失效模式，进行了两批FRP型材-组合梁单调加载试验。第一批进行了6个跨度为2600mm小梁试验，研究FRP剪力键和钢螺栓两种界面连接形式对组合梁性能的影响规律。第二批进行了5根跨度为2000mm和3根跨度为4000mm的FRP型材-混凝土组合梁试验，对比了大尺度试件下的高强螺栓及新型穿孔连接形式的组合梁性能，研究高抗剪强度FRP型材梁的受剪性能。较好地模拟了实际桥梁可能的受力形态，并观察了组合梁的各种受力响应，揭示了失效模式多样化的规律。.（3）研究了面向设计的组合梁桥的计算方法。对世界范围内相关试验进行了统计，并总结本项目试验现象，发现了界面粘结滑移的双折线规律，通过机理分析和实验数据回归，提出了界面粘结滑移的新模型，得到了双折线模型的两个关键参数：滑移刚度和初始粘结力。并将此模型应用于FRP型材-混凝土组合梁的计算理论中，与试验结果对比显示了良好的吻合性。FRP型材-混凝土组合梁桥失效模式具有多样性的特点，造成了设计计算的繁琐，本项目提出了基于单层纤维失效的承载能力计算新方法，简化了计算的复杂度。依据经典层合板理论、铁木辛柯梁的修正理论，提出了FRP型材-混凝土组合梁抗弯刚度的计算新方法：双折减系数法。该方法可考虑材料各向异性、纤维铺层方式、剪切变形、界面的滑移效应的影响。.项目较好地完成了计划任务。