FRP筋钢骨混凝土组合梁受弯性能及其损伤监测研究

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近年来,钢骨混凝土组合梁在大跨度桥梁、地下空间与海洋工程以及超高层抗震建筑中应用广泛,但在长期的运营服役期内,腐蚀、超载、施工质量差等复杂外界因素不仅使受拉钢筋遭受严峻的锈蚀问题,而且导致钢骨与外包混凝土界面产生滑移损伤的病害,严重削弱了抗弯刚度和承载能力。为了确保此类结构的健康服役,本文将其受拉主筋替换为FRP筋,并对新型FRP筋钢骨混凝土组合梁的抗弯性能开展理论和试验对比研究,同时进行了基于压电波动法的滑移损伤主动传感监测的对比研究,验证了该方法对钢骨混凝土组合梁滑移损伤监测的有效性及准确性。主要研究工作如下:(1)阐述了钢骨混凝土组合梁的发展概况及FRP钢骨混凝土组合梁的研究现状,系统总结了此类结构存在的滑移损伤问题和相关监测技术,还重点介绍了压电材料在土木结构智能监测领域的应用情况,为后续试验的开展提供理论研究基础。(2)设计制作了三片试验梁进行两组对比试验,通过静载试验对比研究了具有相同抗弯承载力、不同受拉主筋和具有不同FRP筋配筋率的钢骨混凝土组合梁在抗弯刚度、破坏形态、承载能力以及应变等方面的差异。结果表明,采用弹性模量更大的受拉主筋能提高钢骨混凝土组合梁的抗弯刚度和抗裂性能;但下翼缘屈服后新型FRP筋钢骨混凝土组合梁的强度储备比普通钢骨混凝土组合梁要大;配筋率增大1倍的FRP筋钢骨混凝土组合梁的耗能能力约提高1.7倍;(3)结合试验梁的结构特点、基于材料力学中梁的纯弯曲理论推导了开裂弯矩的计算公式,系统地总结了抗弯承载力的计算方法并分析其计算值与实测值存在差异的原因,建议配合使用《劲性钢筋混凝土结构设计指南》与《钢-混凝土组合梁设计原理》中的两种方法、相互验证得出钢骨混凝土组合梁的极限抗弯承载力;(4)运用压电波动法对三片试验梁内部界面的滑移损伤状况进行对比监测研究。试验结果表明,滑移损伤出现时,各传感器的时域信号幅值、频域信号幅值以及小波包能量幅值都显著减小,且随着荷载的逐级增大出现不同程度的衰减;通过小波包能量的变化可以实现对两组对比梁以及梁内部各关键位置之间不同滑移损伤状况的精准识别,试验验证了压电波动法对于钢骨混凝土组合梁滑移损伤监测的有效性及准确性。
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