【摘要】：海洋環(huán)境下工程結構普遍存在嚴重的耐久性問題,采用耐腐蝕纖維增強復合材料筋(FRP筋)體外預應力加固技術是解決上述問題的有效方法。目前,美、日、歐等發(fā)達國家建成的FRP筋體外預應力結構中多采用碳纖維增強復合材料(CFRP)筋和芳綸纖維增強復合材料(AFRP)筋,然而CFRP筋價格高、延性小,AFRP筋松弛率過大,這些因素限制了其在預應力結構中的廣泛應用。玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)由于其優(yōu)越的力學性能、耐腐蝕性能和性價比,有望作為預應力材料用于惡劣環(huán)境下的工程結構。但目前國內外缺乏從BFRP筋材料到體外預應力加固結構短長期力學性能的系統(tǒng)性研究。本文從海洋環(huán)境下BFRP筋蠕變、松弛、疲勞性能,體外預應力BFRP筋關鍵區(qū)域(錨固和轉向區(qū))力學性能,體外預應力BFRP筋加固混凝土梁短長期性能三個層次展開研究,為實現高性價比BFRP體外預應力加固技術提供依據。具體內容包括:(1)海洋環(huán)境下預應力BFRP筋蠕變和松弛性能研究。通過蠕變和松弛試驗全面評價BFRP筋的蠕變斷裂應力、蠕變率和松弛率,揭示了BFRP筋在長期持荷下的破壞和性能退化機理;提出了通過預張拉提升BFRP筋蠕變性能的方法,通過蠕變試驗對預張拉時間和預張拉應力進行優(yōu)化,并驗證了預張拉處理效果,研究表明,預張拉可顯著降低BFRP筋蠕變率和松弛率,BFRP筋的蠕變斷裂應力為0.54f_u(f_u為極限拉伸強度),松弛率與普通鋼絞線接近,適合用作預應力材料。利用蠕變和松弛的相關性,提出了通過蠕變試驗數據預測松弛率的方法。通過鹽溶液浸泡后的蠕變和松弛試驗,闡明了鹽腐蝕后BFRP筋蠕變和松弛性能退化規(guī)律,發(fā)現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力與退化后的極限強度比值基本保持不變。通過掃描電鏡觀測(SEM)揭示了性能退化機理,并提出了海洋環(huán)境下的BFRP筋長期應力設計方法。(2)海洋環(huán)境下預應力BFRP筋疲勞性能研究。開發(fā)了一種適用于FRP筋疲勞試驗的錨固方式,通過疲勞試驗闡明了最大疲勞應力和疲勞應力幅對BFRP筋疲勞性能的影響。試驗得到最大疲勞應力和疲勞應力幅的200萬次疲勞循環(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筋的彈性模量不會隨著疲勞荷載循環(huán)的增加而改變。通過鹽溶液浸泡后的疲勞試驗,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理,采用Arrhenius公式預測了不同緯度下BFRP筋的疲勞性能退化規(guī)律。經理論預測,北緯20°、40°和60°的年均溫度下設計使用期為100年的疲勞強度分別為0.41f_u、0.43f_u和0.45f_u,為海洋環(huán)境下的預應力BFRP筋疲勞設計提供指導和依據。(3)體外預應力BFRP筋加固結構關鍵區(qū)域性能研究。通過BFRP筋試件的拉伸試驗闡明了徑向應力對BFRP筋拉伸力學性能的影響規(guī)律,基于Hoffman強度準則提出了描述拉伸強度和徑向應力關系的模型,通過縱、橫向壓縮和面內剪切試驗確定預測模型參數值,并提出了錨固區(qū)徑向應力限值(90MPa)。基于該限值,開發(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出同源材料夾片產品,通過靜力和疲勞試驗驗證了其有效性。利用有限元軟件建立三維有限元模型,分析了FRP筋轉向區(qū)受力狀態(tài),提出了體外預應力BFRP筋轉向區(qū)合理設計參數。研究結果為體外預應力結構提供了有效錨固方式和轉向區(qū)參數。(4)BFRP筋體外預應力加固鋼筋混凝土梁短期受彎性能研究。開展了四根跨度為5m的體外預應力加固混凝土梁和一根普通混凝土梁的受彎靜力試驗,研究了體外預應力筋種類、預應力水平和混凝土強度等級對結構力學性能(包括承載力、延性、裂縫、預應力變化等)的影響,結果表明,體外預應力BFRP筋加固梁的力學性能與普通鋼絞線加固梁各類力學性能類似,且前者卸載后的殘余變形明顯小于后者。預應力水平和混凝土強度等級對開裂荷載、屈服荷載和極限荷載影響很小,但對延性的影響顯著。另外,對國內外代表性規(guī)范中對體外預應力FRP筋極限狀態(tài)下應力增量的計算精度進行了評價。(5)BFRP筋體外預應力加固鋼筋混凝土梁持荷性能研究。開展了四根跨度為5m的體外預應力加固混凝土梁為期150天的持荷試驗,試驗參數包括體外預應力筋種類、預應力張拉控制荷載和混凝土強度等級,分析和討論了跨中反拱、混凝土應變、預應力值、預應力筋的軸向應變等參數。結果表明,混凝土梁的反拱值和預應力損失率隨時間緩慢增長并趨于穩(wěn)定。預應力張拉控制荷載越大,反拱值增長率和預應力損失率越大;增加混凝土強度等級可以降低長期反拱增長率,但對預應力損失率無明顯影響。在相同的張拉控制荷載下,體外預應力BFRP筋在加固結構中的長期預應力損失率明顯低于普通松弛鋼絞線。基于按齡期調整的有效模量法,提出了恒定荷載作用下BFRP筋體外預應力加固鋼筋混凝土梁的變形和預應力值預測方法,該方法預測的長期變形和預應力發(fā)展規(guī)律與試驗結果基本一致。通過上述研究,闡明了BFRP筋在海洋環(huán)境下的力學性能退化機理和退化規(guī)律、BFRP筋錨固區(qū)和轉向區(qū)的力學性能、以及體外預應力BFRP筋對鋼筋混凝土梁短期和長期受彎性能的影響,得到了預應力BFRP筋從材料-關鍵區(qū)域-加固結構的關鍵參數,為體外預應力BFRP筋加固結構提供了設計依據。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TU375.1

【參考文獻】

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本文編號：2630073