鋼筋銹蝕、凍融以及侵蝕環(huán)境下的物理化學作用等因素將造成服役混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低,而其中最為突出問題是混凝土內(nèi)的鋼筋銹蝕。纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,簡稱FRP)作為一種具有耐久性好、輕質(zhì)高強且施工方便等優(yōu)點的新型復(fù)合材料,將其用于混凝土結(jié)構(gòu)中具有很大的發(fā)展?jié)摿�。FRP筋與混凝土間具有良好的粘結(jié)性能是保證兩者能夠協(xié)同工作的基礎(chǔ),相關(guān)問題研究已成為土木工程領(lǐng)域研究的熱點。FRP筋多用于處于惡劣環(huán)境下的橋梁、隧道等工程中,在侵蝕環(huán)境作用下長期服役的FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)也會暴露出一些問題,比如FRP筋的劣化、粘結(jié)強度的下降等。因此,開展侵蝕環(huán)境下的FRP筋與混凝土粘結(jié)滑移性能的研究是十分重要的,對補充并完善FRP筋混凝土設(shè)計規(guī)范以及深化結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計具有十分重要的理論意義。本文在國家自然科學基金“基于耐久性的FRP筋與普通鋼筋混合配筋混凝土構(gòu)件設(shè)計及性能研究(51578267)”的資助下,分別選用碳纖維增強復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer簡稱CFRP)、玻璃纖維增強復(fù)合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer簡稱GFRP)、玄武纖維增強復(fù)合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer簡稱BFRP)等三種FRP筋材,采取理論分析和試驗研究等方法,對侵蝕環(huán)境下FRP筋耐久性能及FRP筋—混凝土構(gòu)件粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系進行研究,主要工作如下:1)侵蝕環(huán)境條件下FRP筋和鋼筋耐久性能退化試驗研究。對FRP筋,開展三種侵蝕環(huán)境(鹽溶液環(huán)境、堿溶液環(huán)境、清水環(huán)境)下的浸泡試驗,浸泡周期分別為45、90、135及180天;對普通鋼筋,通過對混凝土構(gòu)件開展鹽溶液干濕循環(huán)試驗,獲取一定銹蝕程度的損傷鋼筋。對比分析侵蝕環(huán)境下FRP筋與普通鋼筋的腐蝕損傷表面形態(tài),并通過拉伸試驗分析了兩者的斷裂特性。試驗結(jié)果表明:鹽溶液環(huán)境侵蝕下,鋼筋的斷裂形貌與FRP筋有很大不同。對比三種FRP筋和鋼筋的耐久性能,得出CFRP筋是最優(yōu)的。對比分析三種侵蝕環(huán)境對FRP筋的拉伸力學性能影響時發(fā)現(xiàn):堿溶液環(huán)境相比其他溶液環(huán)境對FRP筋更具侵蝕特性。GFRP筋在侵蝕環(huán)境下的尺寸效應(yīng)不容忽視,隨著GFRP筋的直徑越小,劣化程度越明顯。利用Arrhenius公式預(yù)測強度保持指數(shù)的時變特性是適用的。最后,基于Litherland方法探究了加速因子與溫度之間的關(guān)系,加速因子隨著溫度升高,其值隨之降低。2)侵蝕環(huán)境下FRP筋—混凝土粘結(jié)性能試驗研究。將FRP筋—混凝土拉拔構(gòu)件置于上述三種不同侵蝕環(huán)境中,開展了為期150、210及270天的侵蝕浸泡試驗;在浸泡的全過程中,定期對構(gòu)件進行吸濕測量。對侵蝕環(huán)境浸泡后的FRP筋—混凝土粘結(jié)試件開展拉拔試驗,研究拉拔構(gòu)件粘結(jié)性能的時變退化規(guī)律。對比分析試驗結(jié)果可得:不同侵蝕環(huán)境浸泡下的FRP筋—混凝土拉拔構(gòu)件的吸濕速率有所不同;拉拔試件在鹽環(huán)境、堿環(huán)境、清水環(huán)境侵蝕后的粘結(jié)—滑移曲線的平均粘結(jié)強度均有下降。3)侵蝕環(huán)境下FRP筋—混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系研究。在現(xiàn)有粘結(jié)滑移本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,對比分析FRP筋—混凝土構(gòu)件試驗加載全過程的τ-s曲線,近似計算出極限狀態(tài)下的平均粘結(jié)應(yīng)力。對比τ-s曲線可以看出,FRP筋—混凝土構(gòu)件的粘結(jié)—滑移曲線同樣可以分為上升段、下降段及殘余應(yīng)力階段等三條曲線。其中,上升段和下降段基本滿足修正后的BPE模型;對于殘余應(yīng)力階段,采用傅里葉級數(shù)理論對其進行了非線性分析,并對τ-s曲線的時變參數(shù)進行了分析和修正,最終提出了不同侵蝕環(huán)境下FRP筋的粘結(jié)—滑移本構(gòu)關(guān)系中殘余應(yīng)力段的預(yù)測模型。4)侵蝕環(huán)境下FRP筋—混凝土粘結(jié)性能的時變退化模型與可靠度計算。對FRP筋—混凝土構(gòu)件的拉拔試驗結(jié)果采用SR(Strength Retention)模型進行對比分析,確定拉拔構(gòu)件粘結(jié)強度的時變退化模型。通過模型計算可得:在堿環(huán)境和鹽環(huán)境兩種環(huán)境下,CFRP筋拉拔構(gòu)件相比于同直徑的BFRP和GFRP筋拉拔構(gòu)件的粘結(jié)強度退化趨勢較慢,構(gòu)件相對具有更好的耐久性。最后,基于等概率正態(tài)變換方法開展粘結(jié)強度可靠度計算,通過Matlab的迭代運算模塊對構(gòu)件的相對粘結(jié)長度K等構(gòu)造進行預(yù)測與計算。相關(guān)研究結(jié)果可為混凝土結(jié)構(gòu)工程中的FRP筋粘結(jié)長度提供理論參考。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TU37
【部分圖文】：

凍融環(huán)境、工業(yè)環(huán)境(硫酸鹽、酸雨等強化學腐蝕介質(zhì))等惡劣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，對全壽命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)性能提出了更嚴格的要求[2]。由于對耐久性問題認識不足，導致了許多混凝土結(jié)構(gòu)尚未達到其使用壽命便出現(xiàn)了過早破壞，既有結(jié)構(gòu)的維修加固以及拆除產(chǎn)生了巨額費用，造成國家巨大的經(jīng)濟損失與沉重的社會負擔[3]。(a)橋墩混凝土劣化 (b)橋底板縱筋銹蝕

圖 1.2 GFRP 筋材(直筋) 圖 1.3 基礎(chǔ)用 BFRP 筋錨桿Fig.1.2 GFRP bars (direct bar) Fig.1.3 BFRP anchor rod for basic use粘結(jié)性能的本質(zhì)是實現(xiàn) FRP 筋—混凝土界面的協(xié)同工作，能夠確保結(jié)構(gòu)的整體性和延性。與鋼筋不同的是 FRP 筋表現(xiàn)出各向異性、非均質(zhì)性和線彈性等性質(zhì)，這就導致 FRP 筋—混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力傳遞機制是不完全相同的。相關(guān)學者[8-11]通過拉拔試驗研究影響 FRP 筋—混凝土粘結(jié)性能的主要因素，如混凝土強度、混凝土保護層以及橫向配筋構(gòu)造等方面。相應(yīng)地，美國、加拿大和日本等發(fā)達國家對 FRP 筋在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的錨固長度以及粘結(jié)強度等方面都制訂了相應(yīng)規(guī)范予以約束，見表 1.2。一方面，不同侵蝕環(huán)境對 FRP 筋—混凝土的粘結(jié)性能會產(chǎn)生不同的劣化反應(yīng)，并導致粘結(jié)強度有不同程度的退化。但目前的設(shè)計規(guī)范并不能準確地說明惡劣環(huán)境以及箍筋約束對 FRP 筋—混凝土粘結(jié)強度的影響。表 1.2 國外 FRP 筋—混凝土粘結(jié)強度公式Table 1.2 Bond strength formula of FRP concrete in different countries

圖 1.2 GFRP 筋材(直筋) 圖 1.3 基礎(chǔ)用 BFRP 筋錨桿Fig.1.2 GFRP bars (direct bar) Fig.1.3 BFRP anchor rod for basic use粘結(jié)性能的本質(zhì)是實現(xiàn) FRP 筋—混凝土界面的協(xié)同工作，能夠確保結(jié)構(gòu)的整體性和延性。與鋼筋不同的是 FRP 筋表現(xiàn)出各向異性、非均質(zhì)性和線彈性等性質(zhì)，這就導致 FRP 筋—混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力傳遞機制是不完全相同的。相關(guān)學者[8-11]通過拉拔試驗研究影響 FRP 筋—混凝土粘結(jié)性能的主要因素，如混凝土強度、混凝土保護層以及橫向配筋構(gòu)造等方面。相應(yīng)地，美國、加拿大和日本等發(fā)達國家對 FRP 筋在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的錨固長度以及粘結(jié)強度等方面都制訂了相應(yīng)規(guī)范予以約束，見表 1.2。一方面，不同侵蝕環(huán)境對 FRP 筋—混凝土的粘結(jié)性能會產(chǎn)生不同的劣化反應(yīng)，并導致粘結(jié)強度有不同程度的退化。但目前的設(shè)計規(guī)范并不能準確地說明惡劣環(huán)境以及箍筋約束對 FRP 筋—混凝土粘結(jié)強度的影響。表 1.2 國外 FRP 筋—混凝土粘結(jié)強度公式Table 1.2 Bond strength formula of FRP concrete in different countries

【參考文獻】

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本文編號：2807651