基于耐久性的FRP筋—混凝土构件粘结滑移本构关系研究

发布时间：2020-08-28 13:43

　　钢筋锈蚀、冻融以及侵蚀环境下的物理化学作用等因素将造成服役混凝土结构耐久性降低,而其中最为突出问题是混凝土内的钢筋锈蚀。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)作为一种具有耐久性好、轻质高强且施工方便等优点的新型复合材料,将其用于混凝土结构中具有很大的发展潜力。FRP筋与混凝土间具有良好的粘结性能是保证两者能够协同工作的基础,相关问题研究已成为土木工程领域研究的热点。FRP筋多用于处于恶劣环境下的桥梁、隧道等工程中,在侵蚀环境作用下长期服役的FRP筋混凝土结构也会暴露出一些问题,比如FRP筋的劣化、粘结强度的下降等。因此,开展侵蚀环境下的FRP筋与混凝土粘结滑移性能的研究是十分重要的,对补充并完善FRP筋混凝土设计规范以及深化结构耐久性设计具有十分重要的理论意义。本文在国家自然科学基金“基于耐久性的FRP筋与普通钢筋混合配筋混凝土构件设计及性能研究(51578267)”的资助下,分别选用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer简称CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer简称GFRP)、玄武纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer简称BFRP)等三种FRP筋材,采取理论分析和试验研究等方法,对侵蚀环境下FRP筋耐久性能及FRP筋—混凝土构件粘结滑移本构关系进行研究,主要工作如下:1)侵蚀环境条件下FRP筋和钢筋耐久性能退化试验研究。对FRP筋,开展三种侵蚀环境(盐溶液环境、碱溶液环境、清水环境)下的浸泡试验,浸泡周期分别为45、90、135及180天;对普通钢筋,通过对混凝土构件开展盐溶液干湿循环试验,获取一定锈蚀程度的损伤钢筋。对比分析侵蚀环境下FRP筋与普通钢筋的腐蚀损伤表面形态,并通过拉伸试验分析了两者的断裂特性。试验结果表明:盐溶液环境侵蚀下,钢筋的断裂形貌与FRP筋有很大不同。对比三种FRP筋和钢筋的耐久性能,得出CFRP筋是最优的。对比分析三种侵蚀环境对FRP筋的拉伸力学性能影响时发现:碱溶液环境相比其他溶液环境对FRP筋更具侵蚀特性。GFRP筋在侵蚀环境下的尺寸效应不容忽视,随着GFRP筋的直径越小,劣化程度越明显。利用Arrhenius公式预测强度保持指数的时变特性是适用的。最后,基于Litherland方法探究了加速因子与温度之间的关系,加速因子随着温度升高,其值随之降低。2)侵蚀环境下FRP筋—混凝土粘结性能试验研究。将FRP筋—混凝土拉拔构件置于上述三种不同侵蚀环境中,开展了为期150、210及270天的侵蚀浸泡试验;在浸泡的全过程中,定期对构件进行吸湿测量。对侵蚀环境浸泡后的FRP筋—混凝土粘结试件开展拉拔试验,研究拉拔构件粘结性能的时变退化规律。对比分析试验结果可得:不同侵蚀环境浸泡下的FRP筋—混凝土拉拔构件的吸湿速率有所不同;拉拔试件在盐环境、碱环境、清水环境侵蚀后的粘结—滑移曲线的平均粘结强度均有下降。3)侵蚀环境下FRP筋—混凝土粘结本构关系研究。在现有粘结滑移本构模型的基础上,对比分析FRP筋—混凝土构件试验加载全过程的τ-s曲线,近似计算出极限状态下的平均粘结应力。对比τ-s曲线可以看出,FRP筋—混凝土构件的粘结—滑移曲线同样可以分为上升段、下降段及残余应力阶段等三条曲线。其中,上升段和下降段基本满足修正后的BPE模型;对于残余应力阶段,采用傅里叶级数理论对其进行了非线性分析,并对τ-s曲线的时变参数进行了分析和修正,最终提出了不同侵蚀环境下FRP筋的粘结—滑移本构关系中残余应力段的预测模型。4)侵蚀环境下FRP筋—混凝土粘结性能的时变退化模型与可靠度计算。对FRP筋—混凝土构件的拉拔试验结果采用SR(Strength Retention)模型进行对比分析,确定拉拔构件粘结强度的时变退化模型。通过模型计算可得:在碱环境和盐环境两种环境下,CFRP筋拉拔构件相比于同直径的BFRP和GFRP筋拉拔构件的粘结强度退化趋势较慢,构件相对具有更好的耐久性。最后,基于等概率正态变换方法开展粘结强度可靠度计算,通过Matlab的迭代运算模块对构件的相对粘结长度K等构造进行预测与计算。相关研究结果可为混凝土结构工程中的FRP筋粘结长度提供理论参考。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU37
【部分图文】：

实例图,混凝土结构耐久性,劣化,实例

冻融环境、工业环境(硫酸盐、酸雨等强化学腐蚀介质)等恶劣环境下的混凝土结构，对全寿命周期内的结构性能提出了更严格的要求[2]。由于对耐久性问题认识不足，导致了许多混凝土结构尚未达到其使用寿命便出现了过早破坏，既有结构的维修加固以及拆除产生了巨额费用，造成国家巨大的经济损失与沉重的社会负担[3]。(a)桥墩混凝土劣化 (b)桥底板纵筋锈蚀

图 1.2 GFRP 筋材(直筋) 图 1.3 基础用 BFRP 筋锚杆Fig.1.2 GFRP bars (direct bar) Fig.1.3 BFRP anchor rod for basic use粘结性能的本质是实现 FRP 筋—混凝土界面的协同工作，能够确保结构的整体性和延性。与钢筋不同的是 FRP 筋表现出各向异性、非均质性和线弹性等性质，这就导致 FRP 筋—混凝土结构与钢筋混凝土结构的力传递机制是不完全相同的。相关学者[8-11]通过拉拔试验研究影响 FRP 筋—混凝土粘结性能的主要因素，如混凝土强度、混凝土保护层以及横向配筋构造等方面。相应地，美国、加拿大和日本等发达国家对 FRP 筋在结构设计中的锚固长度以及粘结强度等方面都制订了相应规范予以约束，见表 1.2。一方面，不同侵蚀环境对 FRP 筋—混凝土的粘结性能会产生不同的劣化反应，并导致粘结强度有不同程度的退化。但目前的设计规范并不能准确地说明恶劣环境以及箍筋约束对 FRP 筋—混凝土粘结强度的影响。表 1.2 国外 FRP 筋—混凝土粘结强度公式Table 1.2 Bond strength formula of FRP concrete in different countries

【参考文献】