【摘要】：海洋環(huán)境下工程結(jié)構(gòu)普遍存在嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題,采用耐腐蝕纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋(FRP筋)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效方法。目前,美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家建成的FRP筋體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中多采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)筋和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)筋,然而CFRP筋價(jià)格高、延性小,AFRP筋松弛率過(guò)大,這些因素限制了其在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用。玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP)由于其優(yōu)越的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和性價(jià)比,有望作為預(yù)應(yīng)力材料用于惡劣環(huán)境下的工程結(jié)構(gòu)。但目前國(guó)內(nèi)外缺乏從BFRP筋材料到體外預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)短長(zhǎng)期力學(xué)性能的系統(tǒng)性研究。本文從海洋環(huán)境下BFRP筋蠕變、松弛、疲勞性能,體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋關(guān)鍵區(qū)域(錨固和轉(zhuǎn)向區(qū))力學(xué)性能,體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋加固混凝土梁短長(zhǎng)期性能三個(gè)層次展開(kāi)研究,為實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比BFRP體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)提供依據(jù)。具體內(nèi)容包括:(1)海洋環(huán)境下預(yù)應(yīng)力BFRP筋蠕變和松弛性能研究。通過(guò)蠕變和松弛試驗(yàn)全面評(píng)價(jià)BFRP筋的蠕變斷裂應(yīng)力、蠕變率和松弛率,揭示了BFRP筋在長(zhǎng)期持荷下的破壞和性能退化機(jī)理;提出了通過(guò)預(yù)張拉提升BFRP筋蠕變性能的方法,通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)預(yù)張拉時(shí)間和預(yù)張拉應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化,并驗(yàn)證了預(yù)張拉處理效果,研究表明,預(yù)張拉可顯著降低BFRP筋蠕變率和松弛率,BFRP筋的蠕變斷裂應(yīng)力為0.54f_u(f_u為極限拉伸強(qiáng)度),松弛率與普通鋼絞線接近,適合用作預(yù)應(yīng)力材料。利用蠕變和松弛的相關(guān)性,提出了通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)松弛率的方法。通過(guò)鹽溶液浸泡后的蠕變和松弛試驗(yàn),闡明了鹽腐蝕后BFRP筋蠕變和松弛性能退化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)蠕變率和松弛率不受鹽腐蝕影響,腐蝕退化后的蠕變斷裂應(yīng)力與退化后的極限強(qiáng)度比值基本保持不變。通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)(SEM)揭示了性能退化機(jī)理,并提出了海洋環(huán)境下的BFRP筋長(zhǎng)期應(yīng)力設(shè)計(jì)方法。(2)海洋環(huán)境下預(yù)應(yīng)力BFRP筋疲勞性能研究。開(kāi)發(fā)了一種適用于FRP筋疲勞試驗(yàn)的錨固方式,通過(guò)疲勞試驗(yàn)闡明了最大疲勞應(yīng)力和疲勞應(yīng)力幅對(duì)BFRP筋疲勞性能的影響。試驗(yàn)得到最大疲勞應(yīng)力和疲勞應(yīng)力幅的200萬(wàn)次疲勞循環(huán)限值分別為0.53f_u和0.04f_u(考慮95%可靠度),且在宏觀疲勞破壞發(fā)生前,BFRP筋的彈性模量不會(huì)隨著疲勞荷載循環(huán)的增加而改變。通過(guò)鹽溶液浸泡后的疲勞試驗(yàn),闡明了鹽環(huán)境下BFRP筋疲勞性能退化規(guī)律,揭示了鹽腐蝕后BFRP筋的疲勞性能退化機(jī)理,采用Arrhenius公式預(yù)測(cè)了不同緯度下BFRP筋的疲勞性能退化規(guī)律。經(jīng)理論預(yù)測(cè),北緯20°、40°和60°的年均溫度下設(shè)計(jì)使用期為100年的疲勞強(qiáng)度分別為0.41f_u、0.43f_u和0.45f_u,為海洋環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力BFRP筋疲勞設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。(3)體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋加固結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域性能研究。通過(guò)BFRP筋試件的拉伸試驗(yàn)闡明了徑向應(yīng)力對(duì)BFRP筋拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律,基于Hoffman強(qiáng)度準(zhǔn)則提出了描述拉伸強(qiáng)度和徑向應(yīng)力關(guān)系的模型,通過(guò)縱、橫向壓縮和面內(nèi)剪切試驗(yàn)確定預(yù)測(cè)模型參數(shù)值,并提出了錨固區(qū)徑向應(yīng)力限值(90MPa)。基于該限值,開(kāi)發(fā)了一種FRP同源材料夾片錨固形式,利用ANSYS有限元軟件優(yōu)化其尺寸,并利用模壓工藝生產(chǎn)出同源材料夾片產(chǎn)品,通過(guò)靜力和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。利用有限元軟件建立三維有限元模型,分析了FRP筋轉(zhuǎn)向區(qū)受力狀態(tài),提出了體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋轉(zhuǎn)向區(qū)合理設(shè)計(jì)參數(shù)。研究結(jié)果為體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)提供了有效錨固方式和轉(zhuǎn)向區(qū)參數(shù)。(4)BFRP筋體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁短期受彎性能研究。開(kāi)展了四根跨度為5m的體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁和一根普通混凝土梁的受彎靜力試驗(yàn),研究了體外預(yù)應(yīng)力筋種類、預(yù)應(yīng)力水平和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能(包括承載力、延性、裂縫、預(yù)應(yīng)力變化等)的影響,結(jié)果表明,體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋加固梁的力學(xué)性能與普通鋼絞線加固梁各類力學(xué)性能類似,且前者卸載后的殘余變形明顯小于后者。預(yù)應(yīng)力水平和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載影響很小,但對(duì)延性的影響顯著。另外,對(duì)國(guó)內(nèi)外代表性規(guī)范中對(duì)體外預(yù)應(yīng)力FRP筋極限狀態(tài)下應(yīng)力增量的計(jì)算精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。(5)BFRP筋體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁持荷性能研究。開(kāi)展了四根跨度為5m的體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁為期150天的持荷試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)包括體外預(yù)應(yīng)力筋種類、預(yù)應(yīng)力張拉控制荷載和混凝土強(qiáng)度等級(jí),分析和討論了跨中反拱、混凝土應(yīng)變、預(yù)應(yīng)力值、預(yù)應(yīng)力筋的軸向應(yīng)變等參數(shù)。結(jié)果表明,混凝土梁的反拱值和預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定。預(yù)應(yīng)力張拉控制荷載越大,反拱值增長(zhǎng)率和預(yù)應(yīng)力損失率越大;增加混凝土強(qiáng)度等級(jí)可以降低長(zhǎng)期反拱增長(zhǎng)率,但對(duì)預(yù)應(yīng)力損失率無(wú)明顯影響。在相同的張拉控制荷載下,體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋在加固結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失率明顯低于普通松弛鋼絞線�；诎待g期調(diào)整的有效模量法,提出了恒定荷載作用下BFRP筋體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁的變形和預(yù)應(yīng)力值預(yù)測(cè)方法,該方法預(yù)測(cè)的長(zhǎng)期變形和預(yù)應(yīng)力發(fā)展規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。通過(guò)上述研究,闡明了BFRP筋在海洋環(huán)境下的力學(xué)性能退化機(jī)理和退化規(guī)律、BFRP筋錨固區(qū)和轉(zhuǎn)向區(qū)的力學(xué)性能、以及體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋對(duì)鋼筋混凝土梁短期和長(zhǎng)期受彎性能的影響,得到了預(yù)應(yīng)力BFRP筋從材料-關(guān)鍵區(qū)域-加固結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù),為體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋加固結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU375.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2630073