FRP筋增强混凝土结构耐久性能及其设计方法研究

摘要

纤维增强复合材料(FRP)的耐腐蚀性能是其相比于普通钢材的一大突出优势，FRP筋被视为在极端腐蚀性环境下替代易锈蚀钢筋的理想材料。但由于FRP筋，尤其是玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋的开发应用年限较短，对其在实际服役环境下的性能退化规律和退化机理的了解并不充分，导致FRP筋长期性能的不确定性反成为困扰FRP筋应用的关键问题之一。因此，开展针对FRP筋增强混凝土结构耐久性能的研究具有重要的现实意义。此外，得益于FRP筋优秀的耐氯离子侵蚀性能，FRP筋与海水海砂混凝土的组合应用正在吸引广泛的研究兴趣，但目前相关的耐久性研究还比较少。本文采用加速老化试验、微-细观观测和理论计算分析相结合的方法，对FRP筋增强混凝土结构长期耐久性能中涉及的关键问题进行了研究，具体的研究内容及成果包括:
　　(1)首先，对两种树脂基体的BFRP筋（环氧树脂和乙烯基酯树脂）在60℃碱溶液浸泡环境下的性能退化规律和退化机理开展了加速试验研究。结果显示，BE筋（玄武岩纤维-环氧树脂）的耐碱性能优于BV筋（玄武岩纤维-乙烯基酯树脂），纤维/树脂的界面脱粘是BFRP筋力学性能退化的主要原因;然后，对BE筋在两种碱性环境（碱溶液浸泡和潮湿混凝土包裹）下的退化规律进行了对比试验研究。结果显示，BE筋在碱溶液浸泡环境下的退化速率是潮湿混凝土包裹环境下的2.67倍;最后，对BE筋在应力和腐蚀性溶液（酸、碱、盐和水）共同作用下的耐久性能开展了加速试验研究，并结合Arrhenius公式，对BE筋的长期性能进行了预测研究。结果显示，碱溶液环境对BE筋的侵蚀速率要高于其他溶液环境（酸、盐和水），当应力水平低于20％的极限抗拉强度时，应力对退化速率的加速效果不明显，长期性能预测结果表明，在北纬30°、40°和50°三地区各自的年平均温度下，浸泡在碱溶液中的BE筋，其抗拉强度保留率达到50％所需时间分别为4.2年、7.4年和16.1年。
　　(2)首先，研究比较了纤维种类、树脂基体种类以及表面处理方式等对FRP筋与普通混凝土在海洋环境下的粘结耐久性的影响。结果显示，BFRP筋和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋的粘结耐久性能基本相当，碳纤维增强复合材料(CFRP)筋的粘结耐久性能最优，乙烯基酯树脂基体的FRP筋的粘结耐久性能要差于环氧树脂基体，表面喷砂处理可以提升粘结耐久性能;然后，进一步对新型钢-连续纤维复合筋(SFCB)与河沙/海砂混凝土在海洋环境下的粘结耐久性进行了比较研究。结果显示，海砂中的盐分可能对SFCB在混凝土碱性环境中的耐久性有一定的正面影响，可以降低微孔隙溶液的碱性，延缓SFCB表面BFRP的退化速度;最后，对BFRP筋和SFCB与天然海水海砂混凝土在不同拉拔试件形式下（中心拉拔和偏心拉拔）的粘结耐久性能开展了加速试验。结果显示，同等条件下，中心拉拔组的极限粘结强度都要高于偏心拉拔组，整体而言，海水浸泡环境下的粘结性能退化要比干湿循环环境下的严重。
　　(3)对FRP筋增强混凝土梁在模拟海洋环境下的抗弯性能演化开展了多批次的试验室加速试验，分析比较了环境作用时间、受拉筋材种类、混凝土种类（普通混凝土/海水海砂混凝土）、箍筋类型(FRP箍/钢筋箍)以及加速环境类型（干湿循环/浸泡）等参数的影响。试验结果表明，经过最长1年的荷载和海水干湿循环共同作用后，批次Ⅰ（普通混凝土梁）中的GFRP筋、BFRP筋和SFCB梁的抗弯承载力保留率分别为72％、58％和62％，SFCB梁的屈服荷载保留率为75％。经过最长3个月的荷载和海水干湿循环共同作用后，批次Ⅱ（海砂混凝土梁）中的普通钢筋和SFCB梁的特征荷载都没有特别显著的变化，荷载-挠度曲线的斜率都得到了提高，钢筋梁和SFCB梁的能量延性指标也都得到了提高，并且后者的提高幅度更为明显。最后，在批次Ⅲ中（海水海砂混凝土梁），对采用全复合材料配筋（箍筋和架立筋也是BFRP筋）的天然海水海砂混凝土梁，在经历加速海洋环境作用后的抗弯性能变化进行了系统研究。结果显示，BFRP筋梁和CFRP筋梁的破坏模式都由受压区混凝土压溃破坏逐步向剪-压破坏模式转变，SFCB梁的破坏模式由受压区混凝土压溃破坏逐步向SFCB拉断破坏转变，经过最长9个月的环境作用后，BFRP筋梁、CFRP筋梁和SFCB梁的极限承载力保留率分别为79％、70％和89％。
　　(4)基于现有的FRP筋长期性能预测方法，进一步考虑混凝土包裹层、实际服役环境温度波动的影响，提出了更精细化的长期性能预测模型。基于所提出的预测模型，结合文献中已有的BFRP筋加速老化试验数据，对预测模型的应用进行了示例展示，求解给出了BFRP筋环境影响折减系数的建议值。另外，对实际服役环境温度和湿度条件下BFRP筋的极限粘结强度退化规律进行了预测，结合本文和文献中BFRP筋与混凝土短期粘结试验数据，拟合得出了短期极限粘结强度的计算公式，在得出的公式中引入预测得出的极限粘结强度损伤因子，给出了考虑极限粘结强度退化的BFRP筋基本锚固长度计算方法。
　　(5)对FRP筋增强混凝土梁在正常使用极限状态下的抗弯刚度和最大裂缝宽度的计算公式进行了系统的校核和修正。基于本文试验数据并参考已有文献中的试验数据，在理论分析和计算的基础上，提出了修正的FRP筋增强混凝土梁短期抗弯刚度计算公式。针对FRP筋粘结性能变化对截面抗弯刚度计算的影响进行了概念分析。借助近年来国内外开展的有关FRP筋增强混凝土受弯构件裂缝宽度的实测数据，对最大裂缝宽度计算公式中的各系数的取值进行了系统校核，提出了修正的FRP筋增强混凝土梁最大裂缝宽度计算公式。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 复合筋种类及其基本性能

1．2．1 FRP筋

1．2．2 钢材-FRP复合筋

1．3 FRP筋增强混凝土结构耐久性研究现状

1．3．1 FRP筋材耐久性研究

1．3．2 FRP筋与混凝土界面粘结耐久性研究

1．3．3 FRP筋增强混凝土构件耐久性研究

1．4 本文研究目的与研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．5 参考文献

第2章 加速环境下FRP筋长期力学性能退化规律研究

2．1 引言

2．2 试验方案

2．2．1 FRP筋

2．2．2 加速环境类型

2．2．3 试验方法

2．3 试验结果与分析

2．3．1 批次Ⅰ：恒温碱溶液浸泡环境

2．3．2 批次Ⅱ：潮湿混凝土包裹环境

2．3．3 批次Ⅲ：应力-恒温腐蚀性溶液耦合环境

2．4 基于加速老化试验数据的长期性能预测

2．4．1 潮湿混凝土包裹与碱溶液直接浸泡的对应关系研究

2．4．2 碱溶液浸泡环境下BE筋的长期性能预测

2．5 本章小结

2．6 参考文献

第3章 海洋环境下FRP筋与混凝土粘结耐久性能研究

3．1 引言

3．2 试验方案

3．2．1 试验材料

3．2．2 试件形式和加速试验方案

3．2．3 加载及测试方法

3．3 试验结果与分析

3．3．1 破坏模式

3．3．2 粘结-滑移曲线和极限粘结强度变化规律

3．4 本章小结

3．5 参考文献

第4章 面向海洋环境的FRP筋增强混凝土梁长期性能研究

4．1 引言

4．2 试验方案

4．2．1 试验材料

4．2．2 试件形式和加速试验方案

4．2．3 试验加载和测试方法

4．3 试验结果与分析

4．3．1 破坏模式

4．3．2 荷载-挠度曲线和特征荷载值

4．3．3 抗弯刚度和延性系数

4．3．4 裂缝宽度和分布

4．3．5 筋材微观损伤观测

4．4 本章小结

4．5 参考文献

第5章 FRP筋长期力学性能预测和基本锚固长度计算方法研究

5．1 引言

5．2 研究背景

5．2．1 FRP筋力学性能退化机理

5．2．3 FRP筋抗拉强度时变模型

5．3 FRP筋退化速率的影响因素分析

5．3．1 混凝土保护层对退化速率的影响

5．3．2 环境湿度对退化速率的影响

5．3．3 环境温度波动对退化速率的影响

5．4 考虑多参数影响的精细化FRP筋长期力学性能预测模型

5．5 针对BFRP筋的环境影响折减系数的计算

5．6 考虑粘结退化影响的FRP筋基本锚固长度计算方法

5．6．1 真实服役环境下FRP筋极限粘结强度损伤因子η的预测方法

5．6．2 针对BFRP筋的极限粘结强度损伤因子η的计算

5．6．3 基本锚固长度计算方法

5．6．4 BFRP筋粘结试验数据的收集

5．6．5 BFRP筋基本锚固长度设计公式

5．7 本章小结

5．8 参考文献

第6章 FRP筋增强混凝土梁正常使用极限状态设计方法

6．1 引言

6．2 FRP筋增强混凝土梁短期抗弯刚度计算公式的修正

6．2．1 国内外规范中抗弯刚度的计算原则

6．2．2 计算曲线与试验曲线的比较

6．2．3 基于GB规范的修正的短期抗弯刚度计算公式的提出

6．2．4 修正公式适用性的校核

6．3 FRP筋增强混凝土梁长期变形的计算原则

6．3．1 国内外规范中采用的计算方法

6．3．2 FRP筋粘结性能变化对截面长期抗弯刚度计算的影响分析

6．4 FRP筋增强混凝土梁最大裂缝宽度计算公式的修正

6．4．1 受弯构件最大裂缝宽度的计算原理

6．4．2 基于试验数据分析的最大裂缝宽度计算公式的修正

6．4．3 修正的FRP筋增强混凝土受弯构件最大裂缝宽度计算公式的提出

6．4．4 修正公式适用性的校核

6．5 本章小结

6．6 参考文献

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 有待进一步研究的问题

作者攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢