基于耐久性的FRP筋—混凝土构件粘结滑移本构关系研究

摘要

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。

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褚天舒3