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纤维混凝土智能组合柱研究

作　者: 闫昕
导　师: 李惠
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: FRP 自监测 力学性能 耐久性 抗震性能 模拟分析 损伤评价
分类号: U441
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


桥梁结构的耐久性损伤是当前世界范围内所面临的一大问题,严重威胁着桥梁的安全运营与使用寿命。纤维复合材料(Fiber reinforced polymer,简称FRP)是一种新型材料,FRP与混凝土复合组成的组合结构可以有效地解决桥梁结构的长期耐久性问题。本文以FRP管约束混凝土为研究对象,并首次提出FRP-钢复合管约束混凝土,系统地研究了它们的轴压力学性能、耐久性性能和抗震性能。同时,采用光纤光栅应变传感器预埋技术,使上述结构具有损伤自监测性能,并建立了基于监测信息的结构损伤评价方法。本文的主要研究内容包括:首先,针对FRP管约束混凝土轴压延性较差的缺点,本文首次提出了FRP-钢复合管约束混凝土。试验研究了FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土的轴压力学性能,对影响FRP管结构性能的纤维缠绕方式、局部加强纤维管等进行了研究。提出了评价FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土的轴压延性系数计算方法,并对其延性进行了分析。利用大量现有研究成果,回归分析得到了FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土核心混凝土的受压本构关系模型下降段系数,并利用该模型较好地模拟了FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土的轴压力学性能。其次,研究了FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土的耐久性能。研究以对FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土耐久性威胁最大的冻融循环为对象,对上述结构进行了56次冻融循环试验,同时量测了试验前后结构的轴压力学性能,对核心混凝土的相对动弹性模量进行了全程测试,并对试验前后试件表面的孔洞与缺陷进行了红外热成像分析。分析了结构的冻融耐久性损伤机理,并以菲克定律为基础模拟分析了溶液在FRP管内的扩散,计算了FRP管内的结冰压。试验研究了纤维混凝土的火灾爆裂性能,提出了FRP管约束混凝土火灾耐久性损伤评估与修复方法。第三,研究了FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土的自监测性能。开发了具有自监测性能的FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土的制备方法,分别研究了FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土的力学性能损伤自监测性能和耐久性损伤自监测性能,提出了基于监测信息的力学性能损伤评价方法和耐久性损伤评价方法。最后,试验研究了FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土的抗震性能,并与钢筋混凝土的抗震性能进行了比较分析;建立了适于抗震分析的FRP管/FRP-钢复合管约束混凝土的ABAQUS有限元模型,并利用该模型对上述结构的抗震性能进行了模拟分析。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章 绪论  13-37
  1.1 课题背景和意义  13-15
  1.2 FRP 约束混凝土研究与应用进展  15-35
    1.2.1 FRP 管约束混凝土的力学性能试验研究  16-27
    1.2.2 FRP 管约束混凝土的分析模型  27-32
    1.2.3 FRP 管约束混凝土的耐久性研究  32-34
    1.2.4 FRP 管约束混凝土的应用  34-35
  1.3 本文的主要研究内容  35-37
第2章 FRP管约束混凝土轴压力学性能研究  37-66
  2.1 引言  37
  2.2 FRP 管对混凝土的约束作用  37-38
  2.3 纤维缠绕方式对FRP 管约束混凝土轴压力学性能影响  38-44
    2.3.1 试验概况  38-39
    2.3.2 试件设计与制备  39-40
    2.3.3 试验装置与加载测量方案  40-41
    2.3.4 试验过程与结果  41-44
  2.4 局部加强对FRP 管约束混凝土轴压力学性能影响  44-49
    2.4.1 试验概况  44-45
    2.4.2 试验过程与结果  45-49
  2.5 FRP-钢复合管约束混凝土轴压力学性能  49-54
    2.5.1 试验概况  50
    2.5.2 试件设计与制备  50-52
    2.5.3 试验过程与结果  52-54
  2.6 FRP 管/FRP-钢复合管混凝土轴压延性分析  54-55
  2.7 FRP 管约束混凝土轴压力学性能模拟分析  55-64
    2.7.1 材料本构关系  55-59
    2.7.2 FRP 管的损伤与失效模拟  59-63
    2.7.3 ABAQUS 有限元模型建立与模拟分析  63-64
  2.8 本章小结  64-66
第3章 FRP管约束混凝土耐久性研究  66-90
  3.1 冻融耐久性试验概况  66-67
  3.2 试验加载制度与过程  67-69
  3.3 试验结果与分析  69-77
    3.3.1 试件表面损伤  69
    3.3.2 相对动弹性模量变化  69-70
    3.3.3 耐久性损伤后的力学性能  70-74
    3.3.4 环向应变分布  74
    3.3.5 红外热成像探测  74-77
  3.4 冻融耐久性损伤机理分析  77-78
  3.5 FRP 管/FRP-钢复合管溶液吸收模拟分析  78-82
    3.5.1 复合材料中的扩散与菲克定律  78-79
    3.5.2 吸水模拟  79-82
  3.6 FRP 管约束混凝土火灾耐久性研究  82-88
    3.6.1 纤维混凝土火灾爆裂研究  82-85
    3.6.2 FRP 的高温性能  85-87
    3.6.3 火灾后FRP 约束混凝土柱损伤评估与修复方法  87-88
  3.7 本章小结  88-90
第4章 FRP管约束混凝土自监测性能与损伤评价方法  90-104
  4.1 FBG 传感原理  90-91
  4.2 自监测FRP 管/FRP-钢复合管的制备  91-92
  4.3 力学性能损伤自监测与基于监测信息损伤评价方法  92-94
    4.3.1 力学性能损伤自监测  92-94
    4.3.2 基于监测信息的力学性能损伤评价方法  94
  4.4 耐久性损伤自监测与基于监测信息损伤评价方法  94-103
    4.4.1 耐久性损伤自监测  94-98
    4.4.2 基于监测信息的耐久性损伤评价方法  98-103
  4.5 本章小结  103-104
第5章 FRP管约束混凝土抗震性能研究  104-127
  5.1 抗震性能试验研究  104-120
    5.1.1 试验概况与试件制备  104-107
    5.1.2 试验装置与加载、量测方案  107-109
    5.1.3 试验结果与分析  109-120
  5.2 FRP 管/FRP-钢复合管约束混凝土抗震性能模拟分析  120-126
    5.2.1 材料本构模型  121-123
    5.2.2 ABAQUS 有限元模型建立与模拟分析  123-126
  5.3 本章小结  126-127
结论与展望  127-129
参考文献  129-142
攻读学位期间发表的学术论文  142-144
致谢  144-145
个人简历  145

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 结构原理、结构力学
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