海洋环境下BFRP筋体外预应力加固钢筋混凝土梁长期性能研究

发布时间：2020-04-16 21:53

【摘要】：海洋环境下工程结构普遍存在严重的耐久性问题,采用耐腐蚀纤维增强复合材料筋(FRP筋)体外预应力加固技术是解决上述问题的有效方法。目前,美、日、欧等发达国家建成的FRP筋体外预应力结构中多采用碳纤维增强复合材料(CFRP)筋和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)筋,然而CFRP筋价格高、延性小,AFRP筋松弛率过大,这些因素限制了其在预应力结构中的广泛应用。玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)由于其优越的力学性能、耐腐蚀性能和性价比,有望作为预应力材料用于恶劣环境下的工程结构。但目前国内外缺乏从BFRP筋材料到体外预应力加固结构短长期力学性能的系统性研究。本文从海洋环境下BFRP筋蠕变、松弛、疲劳性能,体外预应力BFRP筋关键区域(锚固和转向区)力学性能,体外预应力BFRP筋加固混凝土梁短长期性能三个层次展开研究,为实现高性价比BFRP体外预应力加固技术提供依据。具体内容包括:(1)海洋环境下预应力BFRP筋蠕变和松弛性能研究。通过蠕变和松弛试验全面评价BFRP筋的蠕变断裂应力、蠕变率和松弛率,揭示了BFRP筋在长期持荷下的破坏和性能退化机理;提出了通过预张拉提升BFRP筋蠕变性能的方法,通过蠕变试验对预张拉时间和预张拉应力进行优化,并验证了预张拉处理效果,研究表明,预张拉可显著降低BFRP筋蠕变率和松弛率,BFRP筋的蠕变断裂应力为0.54f_u(f_u为极限拉伸强度),松弛率与普通钢绞线接近,适合用作预应力材料。利用蠕变和松弛的相关性,提出了通过蠕变试验数据预测松弛率的方法。通过盐溶液浸泡后的蠕变和松弛试验,阐明了盐腐蚀后BFRP筋蠕变和松弛性能退化规律,发现蠕变率和松弛率不受盐腐蚀影响,腐蚀退化后的蠕变断裂应力与退化后的极限强度比值基本保持不变。通过扫描电镜观测(SEM)揭示了性能退化机理,并提出了海洋环境下的BFRP筋长期应力设计方法。(2)海洋环境下预应力BFRP筋疲劳性能研究。开发了一种适用于FRP筋疲劳试验的锚固方式,通过疲劳试验阐明了最大疲劳应力和疲劳应力幅对BFRP筋疲劳性能的影响。试验得到最大疲劳应力和疲劳应力幅的200万次疲劳循环限值分别为0.53f_u和0.04f_u(考虑95%可靠度),且在宏观疲劳破坏发生前,BFRP筋的弹性模量不会随着疲劳荷载循环的增加而改变。通过盐溶液浸泡后的疲劳试验,阐明了盐环境下BFRP筋疲劳性能退化规律,揭示了盐腐蚀后BFRP筋的疲劳性能退化机理,采用Arrhenius公式预测了不同纬度下BFRP筋的疲劳性能退化规律。经理论预测,北纬20°、40°和60°的年均温度下设计使用期为100年的疲劳强度分别为0.41f_u、0.43f_u和0.45f_u,为海洋环境下的预应力BFRP筋疲劳设计提供指导和依据。(3)体外预应力BFRP筋加固结构关键区域性能研究。通过BFRP筋试件的拉伸试验阐明了径向应力对BFRP筋拉伸力学性能的影响规律,基于Hoffman强度准则提出了描述拉伸强度和径向应力关系的模型,通过纵、横向压缩和面内剪切试验确定预测模型参数值,并提出了锚固区径向应力限值(90MPa)。基于该限值,开发了一种FRP同源材料夹片锚固形式,利用ANSYS有限元软件优化其尺寸,并利用模压工艺生产出同源材料夹片产品,通过静力和疲劳试验验证了其有效性。利用有限元软件建立三维有限元模型,分析了FRP筋转向区受力状态,提出了体外预应力BFRP筋转向区合理设计参数。研究结果为体外预应力结构提供了有效锚固方式和转向区参数。(4)BFRP筋体外预应力加固钢筋混凝土梁短期受弯性能研究。开展了四根跨度为5m的体外预应力加固混凝土梁和一根普通混凝土梁的受弯静力试验,研究了体外预应力筋种类、预应力水平和混凝土强度等级对结构力学性能(包括承载力、延性、裂缝、预应力变化等)的影响,结果表明,体外预应力BFRP筋加固梁的力学性能与普通钢绞线加固梁各类力学性能类似,且前者卸载后的残余变形明显小于后者。预应力水平和混凝土强度等级对开裂荷载、屈服荷载和极限荷载影响很小,但对延性的影响显著。另外,对国内外代表性规范中对体外预应力FRP筋极限状态下应力增量的计算精度进行了评价。(5)BFRP筋体外预应力加固钢筋混凝土梁持荷性能研究。开展了四根跨度为5m的体外预应力加固混凝土梁为期150天的持荷试验,试验参数包括体外预应力筋种类、预应力张拉控制荷载和混凝土强度等级,分析和讨论了跨中反拱、混凝土应变、预应力值、预应力筋的轴向应变等参数。结果表明,混凝土梁的反拱值和预应力损失率随时间缓慢增长并趋于稳定。预应力张拉控制荷载越大,反拱值增长率和预应力损失率越大;增加混凝土强度等级可以降低长期反拱增长率,但对预应力损失率无明显影响。在相同的张拉控制荷载下,体外预应力BFRP筋在加固结构中的长期预应力损失率明显低于普通松弛钢绞线。基于按龄期调整的有效模量法,提出了恒定荷载作用下BFRP筋体外预应力加固钢筋混凝土梁的变形和预应力值预测方法,该方法预测的长期变形和预应力发展规律与试验结果基本一致。通过上述研究,阐明了BFRP筋在海洋环境下的力学性能退化机理和退化规律、BFRP筋锚固区和转向区的力学性能、以及体外预应力BFRP筋对钢筋混凝土梁短期和长期受弯性能的影响,得到了预应力BFRP筋从材料-关键区域-加固结构的关键参数,为体外预应力BFRP筋加固结构提供了设计依据。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU375.1

【参考文献】