预应力FRP筋混凝土结构关键性能研究

目前国内关于FRP的研究著作相对较少，相关著作都集中在FRP布加固既有混凝土结构方面，对于FRP用于新建结构的著作很少，尤其是缺少预应力FRP筋混凝土结构方面的专著。本书紧紧围绕预应力FRP筋混凝土结构这一主题，开展了一系列的试验研究和理论与数值分析工作，系统地介绍了预应力FRP筋锚具的研发、预应力FRP筋混凝土梁的抗弯性能、抗剪性能和抗震性能，具有一定的学术价值，可以为工程实践提供一定的参考。 

本书通过具体的试验和理论分析结果，介绍了预应力纤维增强聚合物（FRP）筋混凝土结构关键力学性能的研究成果，旨在帮助读者具体了解预应力FRP筋混凝土结构的特点。

本书系统介绍了FRP筋锚具的研制、预应力FRP筋混凝土梁的应力损失研究以及预应力FRP筋混凝土梁的抗弯、抗剪和抗震性能研究，提供了相关试验结果和理论分析结果。书中还论述了FRP筋组合式锚具的锚固机理、预应力FRP筋混凝土梁有限元非线性分析基本问题的讨论，提供了相关理论分析结果和有限元参数分析结果。

本书内容具有系统性、理论性和实用性，可供土木类专业师生和广大科技人员参考。

王作虎，博士，博士后，讲师，现任教于北京建筑大学土木与交通学院，主要从事于结构加固和大型复杂结构的施工过程模拟方面的研究。主持国家自然科学基金1项，北京市*基金1项，参与国家自然科学基金重点项目和北京市自然科学基金多项。发表学术论文20余篇，其中EI检索13篇。

詹界东，博士，东北石油大学土木建筑工程学院教授，国家一级注册结构工程师，黑龙江省发改委评标专家库专家，黑龙江省建设工程专项施工方案论证专家。主要从事工程设计、预应力施工、项目管理和土木工程专业的教学和科研工作。参加国家“十一五”科技支撑项目、国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金项目、黑龙江省教育厅项目和省科技攻关项目等20余项，出版论著4部，发表科研论文20余篇，申请专利5项。

前言

第1章 绪论

1 .1 研究背景

1 .2 FRP材料的特点

1 .3 FRP在结构工程中的应用

1 .4 国内外研究现状

1 .4 .1 预应力 FRP筋锚具

1 .4 .2 预应力 FRP筋混凝土梁结构的延性

1 .4 .3 预应力 FRP筋混凝土梁的抗弯性能

1 .4 .4 预应力 FRP筋混凝土梁的抗剪性能

1 .4 .5 预应力 FRP筋混凝土梁的长期性能

1 .5 主要研究内容

第2章 FRP筋组合式锚具的锚固机理

2 .1 锚固系统的技术要求

2 .2 锚具系统的失效模式

2 .3 夹片 粘结型锚具的锚固机理

2 .3 .1 开发思路

2 .3 .2 锚固机理

2 .4 夹片 套筒型锚具的锚固机理

2 .4 .1 预紧时受力分析

2 .4 .2 预紧卸载后受力分析

2 .4 .3 锚固时受力分析

2 .5 小结

第3章 FRP筋夹片 粘结型锚具的研制

3 .1 锚具设计与制作

3 .1 .1 锚具设计

3 .1 .2 锚具的加工制作

3 .2 静载试验内容及方案

3 .2 .1 试验设备及测试内容

3 .2 .2 加载程序

3 .3 批静载试验结果及分析

3 .3 .1 试验试件

3 .3 .2 试验结果及分析

3 .4 第二批静载试验结果及分析

3 .4 .1 试验试件

3 .4 .2 试验结果及分析

3 .5 动载试验

3 .5 .1 试验内容及方案

3 .5 .2 试验结果

3 .6 小结

第4章 FRP筋夹片 套筒型锚具的研制

4 .1 锚具设计与制作

4 .1 .1 锚具设计

4 .1 .2 加工制作

4 .2 静载试验内容及方案

4 .2 .1 试验设备及测试内容

4 .2 .2 加载程序

4 .3 静载试验结果及分析

4 .3 .1 试验试件

4 .3 .2 试验结果

4 .3 .3 试验结果分析

4 .4 动载试验

4 .4 .1 试验内容及方案

4 .4 .2 试验结果

4 .5 小结

第5章 预应力FRP筋混凝土梁的应力损失研究

5 .1 试件设计

5 .2 FRP筋的张拉控制应力

5 .3 FRP筋的预应力损失分析

5 .3 .1 锚具变形和预应力 FRP筋内缩引起的预应力损失

5 .3 .2 预应力 FRP筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失

5 .3 .3 混凝土收缩徐变引起的预应力损失

5 .3 .4 混凝土弹性压缩引起的应力损失

5 .3 .5 预应力筋应力松弛损失

5 .3 .6 与钢绞线应力损失的比较

5 .4 小结

第6章 预应力FRP筋混凝土梁有限元非线性分析基本问题的讨论

6 .1 钢筋混凝土有限元模型的选择

6 .1 .1 分离式模型

6 .1 .2 组合式模型

6 .1 .3 整体式模型

6 .2 混凝土的开裂模拟

6 .3 预应力有限元的建模方法及比较

6 .3 .1 等效荷载法

6 .3 .2 实体力筋法

6 .4 材料单元和本构关系的选择

6 .4 .1 混凝土

6 .4 .2 普通钢筋

6 .4 .3 预应力 FRP筋

6 .4 .4 预应力钢绞线

6 .4 .5 粘结单元

6 .5 非线性分析中其他问题的处理

6 .5 .1 非预应力筋的处理

6 .5 .2 支座和加载点的处理

6 .5 .3 加速收敛的方式

6 .6 有限元结果与试验结果的对比

6 .6 .1 模型尺寸和材料性能

6 .6 .2 体内有粘结预应力 FRP筋混凝土梁的有限元分析

6 .6 .3 体内无粘结预应力 FRP筋混凝土梁的有限元分析

6 .7 小结

第7章 预应力FRP筋混凝土梁抗弯性能的研究

7 .1 预应力 FRP筋混凝土梁抗弯试验研究

7 .1 .1 试验梁的设计

7 .1 .2 试验研究结果

7 .1 .3 试验结果分析和比较

7 .2 有粘结预应力 FRP筋混凝土梁抗弯承载力的计算

7 .2 .1 抗弯承载力设计

7 .2 .2 强度折减系数

7 .3 无粘结预应力 FRP筋的极限应力计算

7 .3 .1 现有的计算方法和主要计算公式

7 .3 .2 基于挠度的无粘结预应力筋的极限应力

7 .3 .3 各种公式的验证比较

7 .4 体外预应力 FRP筋混凝土梁的承载力计算分析

7 .4 .1 研究现状

7 .4 .2 简化计算方法

7 .4 .3 已有试验数据对计算公式的验证

7 .5 有粘结和无粘结相结合预应力 FRP筋混凝土梁的承载力计算

7 .5 .1 基本假定和破坏形态

7 .5 .2 有粘结和无粘结相结合的预应力 FRP筋同排布置承载力推导

7 .5 .3 有粘结和无粘结相结合的预应力 FRP筋不同排布置承载力推导

7 .5 .4 公式的校核

7 .6 预应力 FRP筋混凝土梁抗弯性能有限元非线性分析

7 .6 .1 有限元建模过程与求解

7 .6 .2 有限元结果分析

7 .6 .3 参数分析

7 .6 .4 预应力 FRP筋的合理配置

7 .7 小结

第8章 预应力FRP筋混凝土梁抗剪性能的研究

8 .1 FRP筋混凝土梁抗剪性能的研究进展

8 .1 .1 非预应力 FRP筋混凝土梁的抗剪性能

8 .1 .2 预应力 FRP筋混凝土梁的抗剪性能

8 .2 预应力 FRP筋无腹筋混凝土梁的抗剪试验研究

8 .2 .1 试验梁的设计

8 .2 .2 试验结果

8 .2 .3 试验结果分析和比较

8 .3 有粘结预应力 FRP筋有腹筋混凝土梁的抗剪试验研究

8 .3 .1 试验梁的设计

8 .3 .2 试验结果

8 .3 .3 试验结果比较和分析

8 .4 无粘结预应力 FRP筋有腹筋混凝土梁的抗剪试验研究

8 .4 .1 试验梁的设计

8 .4 .2 试验研究结果

8 .4 .3 试验结果分析和比较

8 .5 预应力 FRP筋混凝土梁抗剪承载力的计算

8 .5 .1 钢筋混凝土结构抗剪承载力分析方法的发展

8 .5 .2 预应力钢绞线混凝土结构抗剪性能的研究进展

8 .5 .3 桁架 拱模型分析法

8 .5 .4 各种规范公式计算结果与试验结果的比较

8 .5 .5 简化公式的提出

8 .6 预应力 FRP筋混凝土梁抗剪性能的有限元模拟

8 .6 .1 有限元建模过程与求解

8 .6 .2 有限元结果分析

8 .7 预应力 FRP筋混凝土梁抗剪性能的有限元参数分析

8 .7 .1 混凝土强度

8 .7 .2 剪跨比

8 .7 .3 配箍率

8 .7 .4 预应力

8 .7 .5 预应力筋的粘结情况

8 .8 小结

第9章 预应力FRP筋混凝土梁抗震性能的研究

9 .1 预应力 FRP筋混凝土梁抗震性能试验研究

9 .1 .1 试验梁的设计

9 .1 .2 试验结果与分析

9 .1 .3 试验研究结论

9 .2 预应力 FRP筋抗震性能的有限元分析

9 .2 .1 有限元建模过程与求解

9 .2 .2 有限元结果分析

9 .3 有限元参数分析

9 .3 .1 预应力筋的种类

9 .3 .2 预应力筋的配筋率

9 .3 .3 非预应力筋的配筋率

9 .3 .4 预应力度

9 .3 .5 混凝土强度

9 .3 .6 预应力筋的粘结情况

9 .3 .7 初始张拉力

9 .4 预应力 FRP筋混凝土梁的恢复力模型

9 .4 .1 恢复力模型的研究现状

9 .4 .2 预应力 FRP筋混凝土梁的恢复力模型计算

9 .4 .3 模型计算值与试验值的对比

9 .5 小结

参考文献

随着结构的安全性和耐久性日益得到重视, 高性能纤维增强聚合物 (FRP)筋的研究和应用得以不断深入。 将 FRP 筋配置于混凝土结构内部或外部, 从而替代钢筋应用于恶劣的环境中而不被腐蚀, 是解决混凝土结构耐久性不足的有效途径之一, 具有广阔的应用前景。

在非预应力 FRP筋混凝土结构中, 由于 FRP筋的弹性模量相对较低, 结构的变形较大, 从而 FRP筋的高强度一般得不到有效发挥。 为了充分发挥 FRP筋轻质高强、 耐腐蚀和抗疲劳性能好的特点, 可以将 FRP 筋作为预应力筋用在各类结构中。 在发达国家, 将 FRP筋用作混凝土结构的预应力筋在2 0世纪8 0年代就得到了发展, 而我国在2 0世纪末2 1世纪初才刚刚起步。由于 FRP筋是线弹性材料, 而且横向抗剪强度较低, 人们自然对预应力FRP筋锚具、 预应力 FRP筋混凝土结构的抗弯、 抗剪和抗震性能非常关心。

本书作者在国家自然科学基金 (项目编号: 5 1 3 0 8 0 2 8, 5 1 3 7 8 0 4 6)、 北京市教育委员会科技计划一般项目基金 (项目编号: KM2 0 1 6 1 0 0 1 6 0 1 2) 及北京节能减排关键技术协同创新中心的资助下, 紧紧围绕预应力 FRP 筋混凝土结构这一主题,开展了一系列的试验研究和理论与数值分析工作。

本书共9章, 主要内容包括: 绪论, FRP 筋组合式锚具的锚固机理, FRP筋夹片 粘结型锚具的研制, FRP筋夹片 套筒型锚具的研制, 预应力 FRP 筋混凝土梁的应力损失研究, 预应力 FRP筋混凝土梁有限元非线性分析基本问题的讨论, 预应力 FRP筋混凝土梁抗弯性能的研究, 预应力 FRP筋混凝土梁抗剪性能的研究, 预应力 FRP筋混凝土梁抗震性能的研究。 其中, 第1章由王作虎和詹界东共同撰写, 第2~4章由詹界东撰写, 第5~9章由王作虎撰写。 全书由王作虎统稿。

本书可供土木工程及相关专业的研究人员、 工程技术人员、 规范编制人员以及学生参考使用。