混凝土梁中GFRP筋抗拉強(qiáng)度演化機(jī)理研究

土木工程基礎(chǔ)設(shè)施以鋼筋作為受力筋的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于鋼筋的銹蝕導(dǎo)致其功能提前退化或失效，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且成為重大安全隱患。因此，如何采用性價(jià)比優(yōu)越的GFRP筋有效替代或部分替代鋼筋，提高土木工程基礎(chǔ)設(shè)施耐久性具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。對處于實(shí)際服役混凝土環(huán)境下GFRP筋抗拉性能的退化規(guī)律進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究，主要分析了浸泡溶液（堿性溶液、自來水）、環(huán)境溫度（20℃、40℃、60℃）、彎曲荷載水平（0、25%）、工作裂縫、侵蝕時(shí)間（40天、90天、180天、300天）等因素對GFRP筋耐久性能的影響。同時(shí)結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）和差示掃描量熱法（DSC）等手段從微觀角度對老化試驗(yàn)前后GFRP筋進(jìn)行觀察與分析，在此基礎(chǔ)上對混凝土環(huán)境中GFRP筋抗拉強(qiáng)度的退化機(jī)理進(jìn)行了研究。環(huán)境溫度的升高加速了混凝土環(huán)境中GFRP筋抗拉強(qiáng)度的退化速率，且溫度越高，加速趨勢越明顯。持續(xù)荷載對混凝土環(huán)境環(huán)境中GFRP筋抗拉強(qiáng)度的退化程度有一定的影響，且隨著溫度的升高，持續(xù)荷載所造成退化的效果愈加顯著；在無持續(xù)荷載混凝土環(huán)境下，工作裂縫對GFRP筋抗拉強(qiáng)度的影響較小，隨著持續(xù)荷載水平的增加，GFRP筋抗拉強(qiáng)度退化速率加快，且有工作裂縫混凝土環(huán)境比無工作裂縫混凝土環(huán)境的退化趨勢更加明顯。另外，為了準(zhǔn)確預(yù)測混凝土環(huán)境下GFRP筋抗拉性能退化規(guī)律，基于Fick定律預(yù)測模型，通過引入含時(shí)間函數(shù)的隨機(jī)變量，充分考慮基本可變量的不確定性，建立了混凝土環(huán)境下GFRP筋長期抗拉強(qiáng)度半概率可靠性預(yù)測模型。通過將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測值進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了所推導(dǎo)的考慮不確定因素的半概率可靠性預(yù)測模型的準(zhǔn)確性；為真實(shí)混凝土環(huán)境下GFRP筋的抗拉強(qiáng)度預(yù)測及服役壽命預(yù)估提供了數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。 2100433B

土木工程基礎(chǔ)設(shè)施以鋼筋作為受力筋的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于鋼筋的銹蝕導(dǎo)致其功能提前退化或失效，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且成為重大安全隱患。因此，如何采用性價(jià)比優(yōu)越的GFRP筋有效替代或部分替代鋼筋，提高土木工程基礎(chǔ)設(shè)施耐久性具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目針對GFRP筋混凝土耐久性基礎(chǔ)研究的控制問題，即受持續(xù)應(yīng)力、帶工作裂紋混凝土梁受環(huán)境作用引起其中GFRP筋抗拉強(qiáng)度演化機(jī)理作為研究主題：主要研究其GFRP筋抗拉強(qiáng)度加速試驗(yàn)短期行為；受環(huán)境作用GFRP筋聚合物基體玻璃軟化溫度及堿性等物質(zhì)擴(kuò)散特征；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究形成實(shí)際運(yùn)營環(huán)境混凝土梁中GFRP筋壽命期長期抗拉強(qiáng)度多參數(shù)隨機(jī)變化的半可靠性概率型預(yù)測理論模型。目的為GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范或指南中GFRP筋抗拉強(qiáng)度確定及改善耐久性設(shè)計(jì)奠定一定的理論及應(yīng)用基礎(chǔ)。

針對土木工程中日益嚴(yán)重的鋼筋銹蝕問題,以及FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度低、撓度大和強(qiáng)度利用率低等缺點(diǎn)，本項(xiàng)目旨在發(fā)展新型高耐久性GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土結(jié)構(gòu)。首先，對GFRP/鋼絞線復(fù)合筋的粘結(jié)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，給出最佳肋參數(shù)的建議值，提出粘結(jié)強(qiáng)度、錨固長度和混凝土保護(hù)層厚度的計(jì)算方法，并構(gòu)建粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系模型；其次，對配筋率不同的GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并提出最小配筋率、最大配筋率和安全配筋率的計(jì)算方法；再次，提出滿足安全配筋率要求的GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁承載力極限狀態(tài)的計(jì)算方法和正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算方法；最后，根據(jù)數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和理論分析的結(jié)果，提出新型設(shè)計(jì)指標(biāo)，給出GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁的設(shè)計(jì)方法。通過以上系統(tǒng)研究，可形成一套完善實(shí)用的GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究、性能分析與設(shè)計(jì)方法，為其推廣及應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)

土木工程基礎(chǔ)設(shè)施，如橋梁、海洋結(jié)構(gòu)、海港碼頭、大壩、隧道等使用期都長達(dá)幾十年，甚至上百年。在其服役過程中，在潮濕、溫度變化、氯離子等惡劣環(huán)境下，鋼筋容易產(chǎn)生銹蝕，結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生損傷累積和抗力衰減，使其抵抗自然災(zāi)害的能力下降，甚至引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。如何提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，是土木工程急需解決的問題。 本項(xiàng)目研究內(nèi)容采用的GFRP/鋼絞線復(fù)合筋的抗拉強(qiáng)度和耐腐蝕能力優(yōu)于鋼筋，可以解決鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕問題；同時(shí)，其彈性模量和屈服性能優(yōu)于純GFRP筋，可以較好地彌補(bǔ)GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)撓度大、裂縫寬的缺陷?？梢灶A(yù)見，GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐久性能好，可以首先被應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提高其耐久性與安全性。 本文在自行研制GFRP筋和GFRP/鋼絞線復(fù)合筋的基礎(chǔ)上，對GFRP筋與混凝土的粘結(jié)性能、GFRP/鋼絞線復(fù)合筋與混凝土的粘結(jié)性能、GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁的力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容如下： 首先，利用拉拔試驗(yàn)，基于直徑、錨固長度、混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度和混凝土澆筑深度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響，研究了GFRP/鋼絞線復(fù)合筋的錨固長度、粘結(jié)強(qiáng)度和混凝土保護(hù)層厚度的計(jì)算方法，并構(gòu)建了粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系模型，為相關(guān)規(guī)范的制訂提供參考。 其次，利用試驗(yàn)，研究配筋率對GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁開裂形態(tài)、裂縫寬度、裂縫間距、受力性能、荷載-撓度關(guān)系的影響；并在此基礎(chǔ)上，建議GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁的最小配筋率、最大配筋率和對應(yīng)理想破壞形式的安全配筋率的計(jì)算方法。 第三，基于安全配筋率，利用試驗(yàn)進(jìn)一步深入研究GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁的受力性能，并和GFRP筋混凝土梁和鋼筋混凝土梁進(jìn)行比較；結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果建議了GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁正截面抗裂度、正截面極限承載力、最大裂縫寬度和撓度的計(jì)算方法。 第四，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，提出了GFRP/鋼絞線復(fù)合筋名義屈服強(qiáng)度的概念，建議了GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁正截面承載力設(shè)計(jì)的簡化方法；同時(shí)，結(jié)合與鋼筋混凝土梁受力性能的比較結(jié)果，建議了GFRP/鋼絞線復(fù)合筋混凝土梁最大允許裂縫寬度，為相關(guān)規(guī)范的制訂提供參考。 2100433B

徹底解決混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕問題的一個(gè)有效辦法是采用預(yù)應(yīng)力纖維塑料筋。目前國內(nèi)外還缺乏對預(yù)應(yīng)力纖維塑料筋混凝土梁的系統(tǒng)研究，申請者在前期研究工作基礎(chǔ)上，擬從預(yù)應(yīng)力錨固體系、延性設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)理論等方面對預(yù)應(yīng)力纖維塑料筋混凝土梁進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究，研究成果將為預(yù)應(yīng)力纖維塑料筋混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。 2100433B