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玻璃纖維復(fù)合材料筋混凝土結(jié)構(gòu)及其工程應(yīng)用
本書在作者多年來對(duì)GFRP筋及其混凝土結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了GFRP筋的原材料、制作工藝、力學(xué)性能、耐久性能、GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)、在各類工程中的應(yīng)用實(shí)例等內(nèi)容,有理論,有實(shí)踐,更有工程應(yīng)用,是系統(tǒng)總結(jié)近年來GFRP筋與混凝土結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的專著。本專著適合于從事纖維聚合物筋及其混凝土結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的高等學(xué)校教師、科研人員、工程技術(shù)人員等參考。
適讀人群 :本書適合土木工程、水利工程、交通工程等專業(yè)的學(xué)生、教師和相關(guān)工程從業(yè)人員閱讀參考。
《玻璃纖維復(fù)合材料筋混凝土結(jié)構(gòu)及其工程應(yīng)用》一書是作者多年來對(duì)GFRP筋及其混凝土結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了GFRP筋的原材料、制作工藝、力學(xué)性能、耐久性能、GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)、在各類工程中的應(yīng)用實(shí)例等內(nèi)容,有理論,有實(shí)踐,更有工程應(yīng)用,是系統(tǒng)總結(jié)近年來GFRP筋與混凝土結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的專著。本專著適合于從事纖維聚合物筋及其混凝土結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的高等學(xué)校教師、科研人員、工程技術(shù)人員等參考。
混凝土是一種多孔復(fù)合材料,當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于腐蝕性環(huán)境中,腐蝕性介質(zhì)能夠通過混凝土的多孔結(jié)構(gòu)向鋼筋表面滲透,進(jìn)而破壞鋼筋表面的鈍化膜,使鋼筋產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。鋼筋銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹會(huì)引起混凝土的開裂,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生順筋裂縫,大大削弱甚至破壞鋼筋和混凝土的黏結(jié)能力。裂縫的出現(xiàn)又進(jìn)一步加劇腐蝕性介質(zhì)的侵入,從而形成惡性循環(huán)。這是引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的主要因素。
20世紀(jì)80年代中期以來發(fā)展起來的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋,有望從根本上解決鋼筋銹蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋是一種高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕的新型復(fù)合材料,可以代替鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中。國內(nèi)外已大量開展了FRP筋的力學(xué)性能、加工工藝性能和結(jié)構(gòu)性能等的研究,在試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用方面取得了豐碩的成果。研究表明,F(xiàn)RP筋具有抗拉強(qiáng)度高、密度小、黏結(jié)性能好、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能好、電磁絕緣性能好、完全線彈性性質(zhì)、彈性模量低等特點(diǎn)。采用FRP筋代替鋼筋增強(qiáng)混凝土是既解決耐久性問題又能達(dá)到結(jié)構(gòu)功能要求的行之有效的方法。 根據(jù)增強(qiáng)纖維種類的不同,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋可分為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)筋、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)筋、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)筋和玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP)筋。其中,性能最佳的是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋,其力學(xué)指標(biāo)、耐腐蝕性能和疲勞性能等都優(yōu)于其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋及普通鋼筋。但是,考慮到價(jià)格因素,目前工程中常用的是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)筋,在土木、交通和水利等工程領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,取得了優(yōu)異的應(yīng)用效果,已被廣大工程技術(shù)人員所接受,玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋也已進(jìn)入到工業(yè)化生產(chǎn)和工程應(yīng)用階段。 隨著國內(nèi)外關(guān)于FRP筋和FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)理論研究、工程應(yīng)用和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善,關(guān)于FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用成果越來越多,涉及的纖維種類也比較全面。但是,還沒有比較系統(tǒng)的有關(guān)GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)方面的專著。本書在筆者長(zhǎng)期從事FRP筋及其混凝土結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步總結(jié)凝練而成,包括GFRP筋的原材料與物理力學(xué)性能、GFRP筋的成型與生產(chǎn)過程、GFRP筋的力學(xué)性能、GFRP筋的高溫力學(xué)性能、GFRP筋的搭接性能、GFRP筋混凝土矩形截面梁正截面承載力、GFRP筋混凝土矩形截面梁斜截面承載力、GFRP筋混凝土圓形截面梁的承載能力、GFRP筋混凝土梁的抗彎設(shè)計(jì)方法、GFRP筋混凝土柱受壓承載力、GFRP筋混凝土板的疲勞性能、GFRP筋相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程、GFRP筋的工程應(yīng)用等內(nèi)容。 本書適合于從事纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其混凝土結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的高等學(xué)校教師、科研人員、工程技術(shù)人員等參考,也可供相關(guān)專業(yè)研究生使用。感謝劉海雙、付亞男、惠慧、賀紅衛(wèi)、吳浩、張飛等在鄭州大學(xué)攻讀學(xué)位期間為本書做出的辛勤工作。 本書由趙軍、李明、張普和趙科共同完成,具體分工如下:第1章,趙科;第2章,趙科、李明、趙軍;第3章,張普、李明、趙科;第4章、第5章,趙軍;第6章,李明;第7章,趙軍;第8章,李明、張普、趙軍;第9章,張普;第10章,張普、李明;第11章,趙軍;第12章、第13章,趙軍、李明。 由于筆者學(xué)術(shù)水平有限,書中可能存在疏漏之處,敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。 趙軍
趙軍,鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院,教授、院長(zhǎng),主要從事綠色建筑材料與結(jié)構(gòu)、建筑固廢棄物資源化利用、建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能新技術(shù)、纖維復(fù)合材料增強(qiáng)與加固混凝土結(jié)構(gòu)、工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)、工程結(jié)構(gòu)耐久性等方面的研究,實(shí)現(xiàn)了混凝土及其結(jié)構(gòu)的高性能化和可持續(xù)發(fā)展。 “百千萬人才工程”人選,被授予有突出貢獻(xiàn)中青年專家,享受國務(wù)院政府特殊津貼專家,教育部新世紀(jì)人才支持計(jì)劃,河南省青年科技專家,河南省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人。在纖維增強(qiáng)與加固混凝土結(jié)構(gòu)方面主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng),參與國家重大基礎(chǔ)研究(973)前期研究專項(xiàng)2項(xiàng),主持教育部新世紀(jì)人才支持計(jì)劃、人力資源和社會(huì)保障部留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目、教育部博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金和省級(jí)科研項(xiàng)目等10多項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文120多篇,出版6部著作,參編完成2部國家(行業(yè))標(biāo)準(zhǔn),正在參編3部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),獲得國家發(fā)明專利7項(xiàng)、實(shí)用新型專利15項(xiàng)。取得了15項(xiàng)科研和教研成果,獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、河南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、河南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)5項(xiàng)和河南省其他科研獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng)。
第1 章GFRP 筋的原材料與物理力學(xué)性能 1
1.1玻璃纖維與GFRP 筋原材料選擇 1
1.1.1玻璃纖維成分 1
1.1.2玻璃纖維生產(chǎn)工藝 2
1.1.3玻璃纖維浸潤(rùn)劑 3
1.2基體樹脂、固化劑與GFRP 筋原材料選擇 3
1.2.1熱固性樹脂、固化劑 4
1.2.2熱塑性樹脂 6
1.3添加劑與GFRP 筋原材料選擇 7
1.4部分研究結(jié)果 8
1.4.1樹脂選用的試驗(yàn)驗(yàn)證 8
1.4.2GFRP 錨索專用柔性樹脂的選擇 10
1.4.3玻璃纖維選用的試驗(yàn)驗(yàn)證 12
1.4.4GFRP 錨桿表面涂覆抗靜電液 13
第2 章GFRP 筋的成型與生產(chǎn)過程 14
2.1成型方法 14
2.1.1拉擠成型 14
2.1.2拉擠-纏繞成型 16
2.1.3拉擠-模壓成型 17
2.2成型設(shè)備 17
2.2.1成型設(shè)備分類 17
2.2.2循環(huán)纏繞絲和纏繞-解纏兩種生產(chǎn)設(shè)備 18
2.2.3纏繞-解纏方法生產(chǎn)小直徑GFRP 筋設(shè)備 20
2.3制造過程 22
2.3.1原材料檢驗(yàn) 22
2.3.2工藝及控制部分 22
2.3.3產(chǎn)品的檢驗(yàn) 24
2.4產(chǎn)品種類 24
2.4.1GFRP 箍筋 24
2.4.2GFRP 托盤、GFRP 螺母 25
2.4.3端部錨固系統(tǒng) 26
2.4.4不同表面形式的GFRP 筋 27
2.4.5纏繞玻璃纖維帶GFRP 筋 29
第3 章GFRP 筋的力學(xué)性能 35
3.1FRP 筋簡(jiǎn)介 35
3.1.1FRP 筋的特點(diǎn) 35
3.1.2FRP 筋的物理力學(xué)性能 36
3.2GFRP 筋原材料材性及制備 37
3.2.1原料的材性 38
3.2.2GFRP 筋的制備 38
3.3基本力學(xué)性能 39
3.3.1抗拉強(qiáng)度 39
3.3.2拉伸性能測(cè)試 40
3.3.3抗壓強(qiáng)度 47
3.3.4彎曲強(qiáng)度 48
3.3.5剪切強(qiáng)度 52
3.3.6抗扭強(qiáng)度 54
3.4腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能 56
3.4.1酸性溶液 57
3.4.2堿性溶液 57
3.4.3鹽溶液 58
第4 章GFRP 筋的高溫力學(xué)性能 59
4.1研究?jī)?nèi)容 59
4.2高溫后GFRP 筋的拉伸性能 60
4.2.1試驗(yàn)概況 60
4.2.2試驗(yàn)現(xiàn)象 63
4.2.3影響因素分析 66
4.2.4高溫后GFRP 筋的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算公式 70
4.3高溫后GFRP 筋的剪切性能 71
4.3.1試驗(yàn)概況 72
4.3.2試驗(yàn)現(xiàn)象 73
4.3.3影響因素分析 75
第5 章GFRP 筋的搭接性能 77
5.1研究?jī)?nèi)容 77
5.2FRP 筋與混凝土的搭接性能試驗(yàn)概況 78
5.2.1試驗(yàn)方法 78
5.2.2試件設(shè)計(jì)與制作 79
5.2.3加載裝置及試驗(yàn)方法 84
5.3試驗(yàn)現(xiàn)象描述及破壞形態(tài)分析 86
5.3.1試驗(yàn)結(jié)果及破壞形態(tài) 86
5.3.2試件的破壞形態(tài)分析 87
5.4GFRP 筋搭接錨固性能分析 90
5.4.1試驗(yàn)結(jié)果 90
5.4.2黏結(jié)強(qiáng)度影響因素分析 93
5.4.3黏結(jié)-滑移關(guān)系曲線影響因素分析 102
5.4.4搭接段應(yīng)變分布曲線分析 107
5.5(搭接)黏結(jié)強(qiáng)度的確定和搭接錨固長(zhǎng)度計(jì)算 110
5.5.1(搭接)黏結(jié)強(qiáng)度的確定 110
5.5.2搭接錨固長(zhǎng)度計(jì)算 112
第6 章GFRP 筋混凝土矩形截面梁的正截面承載力 114
6.1試驗(yàn)概況 114
6.1.1試件設(shè)計(jì) 114
6.1.2試驗(yàn)設(shè)備和量測(cè)內(nèi)容 116
6.2試驗(yàn)結(jié)果 117
6.2.1試件破壞形態(tài) 117
6.2.2承載力分析 118
6.2.3跨中撓度 122
6.3正截面受彎承載力的影響因素 124
6.3.1主筋類型對(duì)承載力的影響 124
6.3.2配筋率對(duì)承載力的影響 126
6.3.3GFRP 筋布置形式對(duì)承載力的影響 127
6.3.4受壓區(qū)GFRP 筋對(duì)承載力的影響 127
6.4正截面受彎承載力的計(jì)算方法 128
6.4.1計(jì)算假定 128
6.4.2不同破壞模式截面應(yīng)變分布 128
6.4.3正截面承載力計(jì)算理論 128
6.4.4平衡配筋率 132
6.4.5界限相對(duì)受壓區(qū)高度ξb 133
第7 章GFRP 筋混凝土梁斜截面承載力 135
7.1研究?jī)?nèi)容 135
7.2GFRP 箍筋鋼筋混凝土梁斜裁面受剪試驗(yàn)研究 136
7.2.1試驗(yàn)?zāi)康?136
7.2.2試驗(yàn)方案 136
7.2.3試件測(cè)點(diǎn)布置 137
7.2.4試驗(yàn)裝置及設(shè)備 139
7.2.5試驗(yàn)加載及量測(cè) 140
7.2.6GFRP 筋材性試驗(yàn) 140
7.2.7試驗(yàn)現(xiàn)象 141
7.3試驗(yàn)結(jié)果分析 146
7.3.1GFRP 箍筋混凝土梁的變形性能 146
7.3.2縱筋應(yīng)力的變化規(guī)律 146
7.3.3箍筋的應(yīng)變變化規(guī)律 148
7.3.4混凝土梁斜裂縫的發(fā)展規(guī)律 149
7.3.5梁破壞特征和受剪承載力 150
7.4FRP 箍筋鋼筋混凝土梁受剪承載力的計(jì)算 151
7.4.1FRP 箍筋混凝土梁的抗剪機(jī)理 151
7.4.2各國規(guī)范中梁受剪承載力計(jì)算公式的比較 152
7.4.3各國規(guī)范所考慮的因素比較 154
7.4.4FRP 箍筋鋼筋混凝土梁受剪承載力計(jì)算公式 155
第8 章GFRP 筋混凝土圓形截面梁的承載力 157
8.1研究?jī)?nèi)容 157
8.2試驗(yàn)概況 157
8.2.1試件尺寸與配筋 157
8.2.2加載方式 158
8.2.3破壞形態(tài) 158
8.3圓形梁的正截面受彎性能 160
8.3.1試驗(yàn)結(jié)果 160
8.3.2承載力計(jì)算公式 161
8.4斜截面受剪性能 163
8.4.1試驗(yàn)結(jié)果 163
8.4.2斜截面承載力分析 164
第9 章GFRP 筋混凝土梁抗彎設(shè)計(jì)方法 166
9.1基于承載能力極限狀態(tài)的GFRP 筋混凝土梁抗彎設(shè)計(jì)方法 166
9.1.1設(shè)計(jì)參數(shù) 166
9.1.2GFRP 筋矩形梁承載力和配筋設(shè)計(jì)方法 166
9.2基于正常使用極限狀態(tài)的GFRP 筋混凝土梁抗彎設(shè)計(jì)方法 168
9.2.1GFRP 筋混凝土梁的撓度計(jì)算 168
9.2.2GFRP 筋混凝土梁的裂縫寬度計(jì)算 169
9.3基于能量和變形性能的GFRP 筋混凝土梁抗彎設(shè)計(jì)方法 171
9.3.1結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備基本概念 171
9.3.2GFRP 筋混凝土梁基于能量和變形的設(shè)計(jì)方法 172
第10 章GFRP 筋混凝土柱的受壓承載力 175
10.1研究成果 175
10.1.1GFRP 筋抗壓強(qiáng)度 175
10.1.2GFRP 箍筋的彎折強(qiáng)度 176
10.1.3全FRP 筋混凝土柱的軸心受壓性能 177
10.1.4全FRP 筋混凝土柱的偏心受壓性能 178
10.2GFRP 筋混凝土柱軸心受壓承載力計(jì)算方法 178
10.3GFRP 筋混凝土柱偏心受壓承載力計(jì)算方法 180
第11 章GFRP 筋混凝土板正截面疲勞試驗(yàn)研究 184
11.1研究?jī)?nèi)容 184
11.2GFRP 筋拉伸試驗(yàn)研究 185
11.2.1試驗(yàn)?zāi)康?185
11.2.2GFRP 筋 185
11.2.3GFRP 筋拉伸試驗(yàn)概況 185
11.3GFRP 筋混凝土板疲勞試驗(yàn)概況 188
11.3.1混凝土 188
11.3.2試件的設(shè)計(jì)與制作 189
11.3.3測(cè)量?jī)?nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置 190
11.3.4GFRP 筋混凝土板試驗(yàn)方案 191
11.4GFRP 筋混凝土板疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析 193
11.4.1兩種不同配筋率的靜載試件試驗(yàn)結(jié)果及分析 193
11.4.2GFRP 筋混凝土板試件B1、B2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析 196
11.4.3GFRP 筋混凝土板試件B3、B4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析 199
11.4.4GFRP 筋混凝土板試件B5、B6 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析 202
11.4.5GFRP 筋混凝土板試件B8 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析 205
11.4.6試驗(yàn)結(jié)果總結(jié) 206
11.5GFRP 筋混凝土板疲勞性能理論分析與計(jì)算 207
11.5.1GFRP 筋混凝土板的剛度計(jì)算 207
11.5.2GFRP 筋混凝土板剛度試驗(yàn)結(jié)果 208
11.5.3疲勞荷載下剛度計(jì)算方法 209
11.5.4GFRP 筋混凝土板裂縫寬度的計(jì)算 210
11.5.5GFRP 筋混凝土板疲勞壽命分析 212
第12 章GFRP 筋相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程 214
12.1土木工程用玻璃纖維增強(qiáng)筋(JG/T 406—2013) 214
12.2盾構(gòu)可切削混凝土配筋技術(shù)規(guī)程(GJJ/T 192—2012) 215
12.3纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法(GB/T 30022—2013) 216
12.4玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋的高溫耐堿性試驗(yàn)方法 217
12.5水泥混凝土用碳(玻璃)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋規(guī)程(ACI 440.6M—08) 218
12.6其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 219
第13 章工程應(yīng)用 220
13.1“路面工程”應(yīng)用實(shí)例:GFRP 筋連續(xù)配筋混凝土路面 220
13.1.1工程概況 220
13.1.2GFRP 筋的應(yīng)用 221
13.1.3所用GFRP 筋的力學(xué)性能 223
13.1.4GFRP 筋的應(yīng)用效果 223
13.2“水工混凝土結(jié)構(gòu)”應(yīng)用實(shí)例: 港區(qū)碼頭工程和護(hù)岸工程 224
13.2.1工程概況 224
13.2.2GFRP 筋的應(yīng)用 224
13.2.3所用GFRP 筋的力學(xué)性能 225
13.2.4GFRP 筋的應(yīng)用效果 225
13.3“地鐵工程”應(yīng)用實(shí)例:盾構(gòu)可切削混凝土結(jié)構(gòu)工程 226
13.3.1工程概況 226
13.3.2GFRP 筋在地鐵工程中的應(yīng)用 226
13.4“邊坡支護(hù)工程”應(yīng)用實(shí)例:高等級(jí)公路邊坡GFRP 錨桿加固技術(shù) 229
13.4.1工程概況 229
13.4.2GFRP 錨桿在道路工程中的應(yīng)用 230
13.4.3質(zhì)量檢測(cè) 231
13.5“隧道工程”應(yīng)用實(shí)例:GFRP 筋錨桿在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 233
13.5.1工程概況 233
13.5.2GFRP 筋錨桿的應(yīng)用 233
13.5.3GFRP 筋力學(xué)測(cè)試結(jié)果 234
13.5.4GFRP 筋錨桿的應(yīng)用效果 235
參考文獻(xiàn) 236
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