对GFRP筋混凝土桥面板中压缩薄膜效应的研究.pdf
《对GFRP筋混凝土桥面板中压缩薄膜效应的研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《对GFRP筋混凝土桥面板中压缩薄膜效应的研究.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、对 GF R P筋混凝土桥 面板 中压缩 薄膜效应的研究郑愚 , 李春红 , 秦怀泉 5 9 对 GF RP筋混凝土桥面板 中压 缩薄膜效应 的研 究 郑愚 , 李 春红 。 , 秦 怀 泉 ( 1 东 莞 理工 学 院建 筑工 程 系 , 广 东 东莞 5 2 3 8 0 8 ; 2 华 南理 工大 学土 木 与交通 工 程学 院 , 广 东 广 州 5 1 0 0 0 6 ) 摘 要 : 为研究压缩 薄膜 效应 对玻璃纤维增强筋 ( GF R P ) 混凝 土桥面板工作性 能 的影 响 , 结合 G F R P筋 、 钢筋 混凝土板 的试验成果 , 采用有 限元法对该类结构进 行非 线性有
2、 限元分 析 , 并将计 算结果 与试 验结果 进行 对 比。结 果表 明 : 计算结果与试验结果 吻合 良好 , 所建 立的模型能够 准确地 反映 G F R P筋混 凝土 板的工 作性能及 压缩 薄膜 效应 ; 压缩薄膜效应导致结构实 际承载能力大于现行设 计方法的计算结果 , 而现行 的设计方法 由于忽 略了该效应 , 严重低估 了桥 面板的承载能力 , 进而导致板 内的配筋 率过 高; 压 缩薄膜 效应 随混凝 土强 度和支撑 梁 刚度 增大 而提 高 ; 冲切破坏可能为桥面板在轮 胎荷载作用下 的主要破 坏模式 , 建议进 行后续研究 。 关键词 : 混凝土桥 面板 ; G F R
3、P; 压缩 薄膜 效应 ; 非 线性 有限元分析 ; 有限元法 中图分 类号 : U4 4 3 3 1 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 5 9 0 5 1 引 言 研究 l 】 发 现玻 璃 纤维 增 强 筋 材 ( GF R P ) 的 强度 能够 满 足结构 设计 的要 求 。然 而在 对 国外 已建 成 的 GF R P筋桥 梁结 构心 和现 行 GF RP筋 混凝 土结 构 的 设计 规 范 3 的研 究 中 发 现 , 现行 的设 计 方 法 导 致桥 面板 的 配 筋 率 过 高 ( 1 5 2 8 o,
4、4 ) 。 由 于 GF R P 筋 的价 格 比钢 筋 贵 , 按 现行 规 范设 计 的 GF R P筋混 凝土 桥梁 的整 体 造 价 高 于 同类 型 的 钢 筋 混 凝 土 桥 梁 , 这使 其无 法在 桥梁 工 程 中更好 地 推广 。 众 所 周知 , 混 凝土 板 的转 动 、 轴 向约束会 影 响其 承载 力 , 但 是外 来 的平 面 内 的 约 束对 承 载力 的影 响 却经 常被 忽 略 , 例 如 支 撑 梁 和 加 载 区外 围板 块 的横 向约束 。当荷 载施 加 到一 定 程 度 的时 候 , 加 载 区 的 底部 和板 边界 处 的顶 部 开 始 开 裂 ,
5、截 面 内 的 中性 轴 向受压 区移 动 。 当混 凝 土 板 的末 端 受 到 刚 性 约 束 时 , 压 缩 薄膜压 力 ( 或 拱 推 力 ) 便 会 在 混 凝 土 板 内部 产生 。该 薄膜效 应 是混 凝 土材 料抗 压 与抗拉 强 度之 间 的巨大 差异 引起 的 , 其 在 增 加 混 凝 土板 受 压 区高 度 的 同时也 提 高 了混凝 土板 的极 限强度 。 因此 , 本 文 首 先 根 据 现 行 的设 计 方 法 , 对 1组 GF R P筋 和钢 筋混 凝土 简支 板工 作 性能 差 异 进行 试 验 研究 , 然 后结 合 前期 对 钢 筋 混 凝 土 桥 面
6、板 内压 缩 薄 膜 效 应 的 研 究 5 , 采 用 非 线 性 有 限 元 技 术 对 GF R P筋 混凝 土简 支 板 、 受 约 束 的 G F R P筋 混 凝 土 板 和混 凝 土桥 面板 进 行 数 值 分 析 , 研 究 压 缩 薄 膜 效 应 对 GF RP筋混 凝 土结 构工作 性 能 的影响 。 2 G F RP筋和 钢筋 混凝 土 简支 板的试 验研 究 目前 我 国 尚无 专 门 针 对 GF RP筋 混 凝 土 结 构 的设计 规 范 , 在 分 析 现 行 设 计 方 法 _ 3 和 已建 成 的 GF RP筋 桥 梁 结 构 实 例 _ 7 后 发 现 ,
7、GF RP筋 混 凝 土 桥 面板 的 承载力 计 算 主 要 考 虑结 构 的抗 弯 强 度 , 而 且 以简 支构 件进 行 结构设 计 。因此本 文进 行 了 1 组 宽 3 0 0 mm、 厚 2 0 0 mm 的钢 筋与 GF R P筋 混凝 土简 支构件( 模 拟单跨单 向桥梁 面板) 四点加载弯 曲试 验 , 对 2种 筋材 构 件 工 作 性 能进 行 比较 。试 验 构 件 参 数见 表 l 。 表 1 试 验 构 件 参 数 由试 验 结果 可 知 , 开 裂前 2种构 件 的荷 载 位 移 曲线相 似 ( 见 图 1 ) 。开裂 后 至 钢 筋 屈 服前 , 钢 筋 混凝
8、 土板 表 现 出更 高 的 刚度 , 同一 荷 载下 , GF RP筋 混凝 土板 的位移 、 裂 缝 宽 度 及 筋 材 应 变均 大 于 钢 筋 混凝 土板 。试 验 结 果 还 表 明 , GFRP混 凝 土 板 的裂 缝数 量 多于 钢筋 混 凝 土板 , 平 均 裂缝 距 离 比钢 筋 混 凝土 板 的小 , 尤其 是筋 材 面积 板截 面 面积 的值较 高 收 稿 日期 : 2 0 1 0 0 6 2 8 基金项 目: 国家 自然科学基金( 5 0 9 0 8 0 5 5 ) ; 广东省交通厅科技计 划( 2 0 0 9 0 2 -0 1 7 ) ; 东莞市科技计划( 2 0 0
9、 9 1 0 8 1 4 0 4 9 ) 作者简介 : 郑愚( 1 9 7 8 一) , 男 , 讲师 ,2 0 0 1年毕业于电子科技大学建筑工 程专业 , 工 学学士 , 2 0 0 4年毕 业于深圳 大学 结构工程专 业 , 工学硕 士 , 2 0 0 7年毕业于英国贝尔发斯特女王大学结构工程专业 , 获博 士学 位( E ma i l : z h e n g y d g u t e d u o n ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 O 世 界 桥 梁 2 0 1 1年 第 1期 时 。虽然在 承载能 力上 , G F R P筋可 以代 替钢 筋
10、 , 但 是 由于 GF R P筋 弹性模 量 只约为 钢筋 的 1 4 , GF RP 混凝 土板前 期 的裂 缝宽度 和位 移 比钢 筋混凝 土板 的 大得 多 , 因此 现行 的 GF RP筋 混凝 土 桥 面板 的设计 条件 是 由正 常 使 用 极 限状 态 决 定 ( 位 移 和 裂 缝 宽 度) , 而 非结构 的刚度 和强度 。这 将大 大 降低 GF R P 筋混凝 土板 的承 载 能力 , GF R P筋抗 拉 性 能 不 能 充 分 发挥 。造成 这样 的原 因是 由于现行 混凝土桥 梁 面 板 的设计 方法 忽略 了压缩 薄膜效 应 的影 响 。 星 趔 哥 地 3混凝
11、 土板 压缩 薄膜 效 应 非线 性 有 限 元分 析 及试 验结 果分析 3 1 有 限元参 数设 置 通过 对有 限元 软件 中材 料模 型 的分 析L 8 , 本 文 采用 C o n c r e t e Da ma g e d P l a s t i c i t y模 型 ( 混 凝 土 损 伤 塑性模 型) 模拟 混凝 土材料 ; 混凝 土与钢 材 的本构 模 型 采 用 郑 愚 等 研 究 中使 用 的 本 构 方 程 ; 由 于 G F R P筋 的抗拉 强度与抗 压 强度和 弹性模 量 上有 着 较大的区别 , 不能 采用 钢筋 的 B i l i n e a r 或者 Mu
12、l t i l i n e a r 的材料模 型模 拟 G F R P筋 , 因此选 用 AB A QUS中 的 Hy p e r e l a s t i c 模 型定 义 筋 材 的抗拉 和抗 压 属 性 ; 由于 G F R P筋 混 凝 土 材 料 本 身 的破 坏 具 有 较 大 的 脆 性且桥 面板 的冲切 破坏 容易造成 数值 分析 中 的不 稳 定l_ 9 , 本 文采 用基 于显 式积 分 的准 静力 分 析 和相 应 的破坏 准则 进 行承 载力计 算和结 构分 析 。 根据 上 述 的有 限元 参数 设 置 , 本 文首 先建 立 前 述 的简支 板 有 限元 模 型来 校
13、核 材 料 模 型 的 准 确 程 度 。然 后 , 对 l 组 带有 侧 向 ( 桥 面板 纵 向) 约束 装 置 的混凝 板进 行非 线性 有 限元 分 析 , 将 计 算结 果 与 试 验结果 进行对 比, 以此 来 验 证有 限元模 型对 压 缩 薄 膜效应 模拟 的准 确 性 。最 后 , 对前 期 研 究l 9 的 钢筋 混 凝土 桥面板 中的 筋材 模 型 进 行 修 改 , 分 析 GF R P 筋混凝 土桥 面板 结构 中压 缩薄膜 效应 的影 响 。 3 2简 支板结 果分析 以前 述 G F R P筋 混凝 土 简支 板 为 有 限 元 分 析 的物理对 象 。混凝 土板
14、与 支撑构 件采用 块体 单元模 拟 , GF R P筋材 采用桁 架单 元模拟 , 筋材 与 混凝 土板 之 间采用嵌 入式 的 约束 定 义 , 混 凝 土板 与 支 撑构 件 之 间的简支 关 系通过接 触分 析来模 拟 。为 了节省计 算所需 的时间 , 采 用 了 1 4 模 型进 行数值模 拟 。 对 比计 算和 试 验 结 果 ( 见 图 2 ) 发 现 , 所 建 立 的 数值模 型 的计算 结 果 与试 验 结果 比较 吻 合 , 能够 比 较准确 地计算 出结 构 的承载 能力与 开裂荷 载 以及 反 映 出结 构 的工作性 能 , 包 括 开 裂形 态 和 荷 载 位 移
15、 荷载 k N 衙载 k N ( a )G I A 5 0 4 N型 ( b )G 2 B 5 1 6 模型 图 2荷 载 位 移 曲线对 比 3 3带侧 向约束 混凝 土板结 果分 析 该部分的有限元分析 以 Ta y l o r和 Mu l l i n 】 。 。 研 究 的侧 向约束 GF R P筋 混凝 土 单 向板为 物理 对象 , 该侧 向约束 由设置在 板末 端 的钢 板提供 。具 体有 限 元参 数设 置 与前述 简 支板 的基 本 一致 , 钢板 与 混 凝 土板 之 间采用 接触 分 析来 定 义 其 约束 关 系 , 并在 混 凝土 板端 部的 钢板施 加 弹 簧 单元
16、模 拟 横 向 刚度 , 弹 簧单 元 的一 端 连接 支 座处 末 端 的钢 板 , 另 一 端连 接 刚度 无限大 的地 面 。表 2为带侧 向约束 混凝土 板试 验及 有 限元 计算 结果 , 从表 2中可 以看 出 , 所建 立 的 有 限元 模 型 的 承 载 力计 算 结 果 与 试 验 结 果 吻 合 良 好 ; 在同等强度 的混 凝土板 中, 由于约束 刚度的不 同 , 承 载力之 间存 在 较 大 的差 异 ( 模 型 ( 3 - 4 0 一 L R 比模 型 G - 4 0 一 S S的极限荷 载 大 3倍 ) 。从 变形 结 果 可 知 , 由 于压 缩 薄膜效 应 的作
17、 用 , 拱 推力 下 钢 板 发生 了明 显 的横 向位 移 。 由此 可见所 采用 的有 限元 模 型能够准 确地 模拟 出 G F R P筋混 凝 土板 中的压缩 薄膜效 应 。 3 4混凝 土桥 面板结 果分 析 由于 目前 结 合 压 缩 薄 膜 效 应 所 设 计 的 G F R P 混凝 土桥面 板结 构并 没 有 广 泛 开展 , 本 次 研究 使 用 结 合 了压缩 薄 膜 效 应 设计 的 钢 筋 混 凝 土 桥 面 板 模 型l 作为分 析模 型 。该桥 梁模 型 中桥 面板 的配筋 率 仅 为 0 5 1 0 , 而且 配筋 位 置 均 位 于 板 中 , 与 构 本
18、筋 P R F G 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 对 GF RP筋 混 凝 土 桥 面板 中 压 缩 薄 膜 效 应 的研 究郑愚 , 李 春 红 , 秦 怀 泉 61 注 : 配 筋 率 为 0 5 。 现有 的 G F R P筋 桥梁 结 构 中的高 配筋 率 ( 约 为 2 ) 有 着一 定 的 区别 。在 模 型 中部 , 用 1根 2 5 mm 5 0 0 mm 的钢 梁作 为 加 载 构 件 , 以此 来 模 拟 2个 轮 胎 同时作用 在桥 面 板上 的最 不利 情 况 。前述 分析 结 果 表 明 了所 建立 的 有 限元 模 型包 括材 料模
19、 型 和破 坏 准则 , 能够 准 确计 算 出 GF R P筋混 凝 土 板结 构 的承 载性能 、 破 坏情 况 和 板 内的 压缩 薄 膜效 应 。 因此 可 以将 郑 愚 等 研 究 的筋 材 模 型 进 行 修 改 , 调 整 为 GF RP筋 的材 料 属性 来 研 究 GF RP筋 混 凝 土 桥 面 板 的压缩 薄 膜效 应 的影 响 。 对比有 限元 计算结 果和试 验结果 ( 见表 3 ) 可 知 , 当筋 材 类 型 由钢 筋 置 换 为 GF RP筋 后 , 而 配 筋 率 不变 的情 况 下 , 桥 面 板 的 承 载 能 力 并 没 有 下 降 。 在模 型 M3
20、8 B B 0 5的荷 载 位 移 曲线 图 ( 见 图 3 ) 中 发 现 , 筋 材 类 型 对 结 构 工 作 性 能 的 影 响 并 不 大 。 G F R P筋混凝 土 桥 面板与 钢筋 混凝 土 桥 面板 的 荷 载 位 移 曲 线 基 本 一 致 , 这 与 简 支 构 件 试 验 中 的 G F R P筋混 凝土 板 刚 度 退 化 大 于 钢筋 混 凝 土 板 ( 见 图 2 ) 有 着 明显 的 区别 。这 说 明 由于 桥 面 板 中压 缩 薄 膜 效 应 的 作 用 , G F R P 筋 桥 面 板 并 没 有 受 到 G F R P筋材延 性 较 差 和 弹性 模
21、量 低 的 影 响 , 结 构 的 整体 延性 并没 有大 幅 下降 。 然而 采用 AC I 4 4 0 l 3 对 桥 面 板 设 计 后 发 现 , 现 行 的规范 无法 准确 计算 出结 构 的真 实 承载 能力 。通 过 比较 模 型 M3 6 S B 0 5与 模 型 M3 8 B B 0 5的 极 限荷 载 ( 见 表 3 ) 后 可 知 , 现行 设 计 方 法 无 法 准 确 地 反 映 出约 束刚 度 的改变 对结 构 承载 性能 的影 响 。 由非 线性 有 限元 中 VO i l Mi s e s应 力 结果 ( 见 图 4 ) 可知, 压缩薄膜效应导致 了桥 面板在轮
22、胎荷载作 用下的破坏形态可能为冲切破坏 , 这一点也在郑愚 施 工荷 载 k N 图 3 M3 8 BB 0 5衙 载 位 移 曲线 等 5 对 钢筋 混凝 土桥 面板 的试 验研 究 中发 现 。 由于 压缩薄膜效应随着横 向约束刚度的增大而提高 , 支 撑 梁 尺寸 的增 大使 得 冲切效 应 变得更 加 明显 。在 郑 愚 等。 j 研 究 中发 现 , 在 冲切破 坏 的同时 , 弯 曲破 坏 或 剪 压破 坏也 同时发生 。因此 可 以将桥 面板 在局 部荷 载 作 用下 的破 坏形 态分 为弯 切破 坏 和剪切 破坏 。在 混 凝 土强度 较低 或 约 束 刚 度 较 低 的模 型
23、 中 , 破 坏 时 带 有较 好 的延性 , 破 坏 状 态 通 常 为 弯 曲破 坏 和 冲切 破 坏 的结合 , 可 以称 为 弯 切 破 坏 。随 着 混凝 土强 度 的提高 和约 束 刚度 的 增 加 , 破 坏 将 变 得更 具 突然 性 和脆 性 , 此 时 的破 坏模 态 通常 为剪 切破 坏 。 通 过 对 板 内 的应 力 分 析发 现 , 在 桥 面 板跨 中加 载 区与 支撑 处 的 中间 部 位 的应 力 均 为 压 应 力 , 这 是 由压 缩 薄膜 效应 所 导 致 的拱 推 力 造 成 的 , 这 与 弯 曲 作 用下 的结 构性 能不 同。将轴 向应 力 沿厚
24、度 方 向上 积分 可 以获 得混凝 土 桥 面板平 面 内的轴 力 。 由计 算 结果 可 知 , 当施加 荷 载达 到开 裂荷 载 以后 ( 约 为极 限 荷 载 的 4 0 _ 9 ) , 轴力 有 着较 为 明显 的增 加 , 这 是 由 于裂 缝发 生 以后板 内产生 了拱 推力 。 上述 分 析证 明 了 在 GF R P筋 混 凝 土 桥 面 板 中 压缩薄膜效应 的存在 , 且该效应大幅提高了 GF RP 表 3桥面板试验 、 有 限元 分析 及规范计算结果 注 : 钢 筋 屈 服 强 度 为 5 9 7 MP a , GF RP筋 断 裂 强 度 为 6 7 3 MP a 。
25、钢 筋 支撑 梁 型 号 1J 参 考 Br i t is h S t a n d a r d s I n s t i t u t e ,B S 4 :Pa r t l :1 9 9 3 a n d B S EN 1 0 0 5 6 1 9 9 9 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 世 界 桥 梁 2 0 1 1年第 1 期 图 4 最 不 利 荷 载 作 用 下 1 2板 顶 Vo n Mi s e s 应 力 分 布 示 意 混凝 土板结 构 的极 限承 载 力 , 混凝 土 板 的极 限承 载 力 和压缩薄 膜效应 随着混 凝土 强度 和横 向约
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- GFRP 混凝土 桥面 压缩 薄膜 效应 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【et****ng】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【et****ng】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。