荷载和恶劣环境下FRP增强结构耐久性研究

摘要

目前，随着纤维增强复合材料(FRP)在土木工程结构加固中应用日益广泛，这种新型加固方法的耐久性问题也引起了研究人员和工程人员极大地关注。本文结合国家重大基础研究前期研究专项(973前期)“恶劣环境下纤维增强塑料混凝土构件耐久性研究”(2004CCA04100)和国家自然科学基金项目“荷载和恶劣环境耦合作用下FRP增强混凝土结构耐久性研究”(50608013)，研究了水环境、盐水环境、碱性环境、干湿交替循环以及冻融循环作用对FRP与混凝土粘结性能影响，同时在干湿交替对FRP与混凝土、钢结构粘结性能影响中考虑了荷载效应影响。具体研究内容主要包括以下几个方面： (1)通过FRP与混凝土在水环境、盐水环境、碱性介质、干湿交替循环以及冻融循环作用后的粘结试验，研究各种腐蚀环境对FRP与混凝土粘结界面耐久性的影响。采用FRP与混凝土初始断裂韧性作为评价指标，结果表明经过水侵蚀、盐水侵蚀、碱性介质侵蚀、干湿交替循环试验以及冻融循环作用后，FRP与混凝土的粘结界面破坏特征发生了明显变化，粘结试件的粘结端部位移-荷载曲线在初期仍然呈线性变化，但是所对应的初始开裂荷载减小，初始断裂韧性下降。盐水环境比水环境对FRP-混凝土粘结性能影响程度更大一些，尤其对于更长的试验周期，盐水对FRP与混凝土粘结性能的影响更加明显。在相同试验周期下，碱性环境对FRP与混凝土粘结性能影响程度明显大于水环境的影响。因此依据本次试验结果，说明碱性环境对FRP与混凝土粘结性能有较大的不利影响。在试验周期较短的情况下，干湿交替环境对FRP与混凝土粘结性能影响程度和水环境的影响接近，但随着腐蚀时间的增加，干湿交替环境对FRP与混凝土粘结性能影响比水环境的影响明显增加了。冻融循环对FRP与混凝土粘结性能有一定不利影响，并且随着冻融循环次数增加，断裂韧性有进一步下降的趋势，但这种下降趋势在超过150次冻融循环试验后，逐渐趋于平稳。 (2)在FRP与混凝土粘结耐久性试验中，考虑了荷载效应的影响。试件采用梁式粘结试件，预加荷载的等级分别为极限荷载的30％和50％，腐蚀环境采用干湿交替循环和盐水复合作用，结果表明干湿交替环境对FRP与混凝土粘结性能有一定不利影响。在试验中，经过干湿交替试验的粘结试件其极限荷载出现了不同程度下降，并且极限荷载有随腐蚀时间增加而进一步下降的趋势。在预加荷载较小时(30％极限荷载)，荷载对FRP-混凝土的粘结耐久性影响不大，施加较小荷载的试件并没有表现出比相对试件粘结性能下降更多的数据。当荷载较大时(50％极限荷载)，荷载对FRP-混凝土的粘结耐久性产生了一定的不利影响，与未加载试件以及30％极限荷载试件相比，在大部分的腐蚀周期中，50％荷载试件其极限荷载下降幅度都更大一些。 (3)通过进行FRP与钢结构在冻融循环和干湿交替作用后的粘结性能试验，研究了FRP与钢结构粘结试件在腐蚀条件下的耐久性。结果表明：干湿交替循环对 FRP-钢结构粘结性能有很大不利影响，15 次干湿交替试验后FRP-钢结构粘结极限荷载比对比试件有较大程度的下降，仅能达到对比试件极限荷载的43％。随着FRP-钢结构粘结试件受到干湿交替循环次数增加，其粘结极限荷载有下降趋势，但试验周期增加到一定程度，这种下降趋势趋于平缓。冻融循环作用对FRP-钢结构粘结性能有很大不利影响，25 次冻融试验后FRP-钢结构粘结极限荷载比较对比试件有较大程度的下降,仅能达到对比试件极限荷载的40％。试件受到更多的冻融循环作用后(50～200次)，其极限荷载并没有呈现出更大的下降趋势，即极限荷载和冻融循环次数并没有明显的相关性。 (4)在FRP与钢结构粘结耐久性试验中，考虑了荷载效应的影响。试件采用梁式粘结试件，预加荷载的等级分别为极限荷载的15％和30％，腐蚀环境采用干湿交替循环和盐水复合作用，结果表明：荷载和干湿交替循环对FRP-钢粘结性能有很大不利影响，初始荷载30％下120次干湿交替试验后FRP-钢粘结极限荷载比较对比试件有较大程度的下降，仅能达到对比试件极限荷载的22％。在本次试验设计的初始荷载等级下(极限荷载 15％、25或30％)，受到干湿交替的试件其粘结强度与未施加初始荷载的试件相比没有明显下降。不同初始荷载等级(0、15％、25％或30％)，各组试件的界面剪切强度与试验周期的相关性并不明显。荷载和干湿交替复合作用对FRP-钢粘结性能有较大的不利影响，在长期较高荷载作用下，FRP-钢的粘结性能并不是稳定的，在荷载和环境的双重作用下，FRP-钢粘结试件可能发生突然的粘结破坏。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1 FRP在土木工程中的应用简介

1.2关于FRP与结构粘结性能研究总述

1.3本项目的研究背景及意义

1.4 FRP增强工程结构耐久性研究现状

1.4.1国外研究现状

1.4.2国内研究现状

1.5本项目研究内容

2 FRP加固钢结构粘结性能试验研究

2.1引言

2.2试验研究

2.2.1试件设计及制作

2.2.2加载及仪表布置

2.3试验结果及分析

2.3.1破坏特征

2.3.2 FRP-工字钢梁试件受力分析

2.3.3粘结长度变化对粘结性能的影响

2.3.4 FRP与钢结构粘结界面剪切应力分布

2.3.5粘贴层数对粘结性能的影响

2.3.6 FRP片材宽度对粘结性能的影响

2.3.7粘结破坏荷载计算

2.4结论

3 FRP与混凝土直接剪切粘结耐久性研究

3.1概述

3.2试验设计

3.2.1试验考虑环境因素

3.2.2试件准备

3.2.3试验装置

3.3试验分析方法

3.4水环境对FRP-混凝土粘结性能影响

3.4.1破坏特征

3.4.2试验结果

3.4.3荷载和粘结端部滑移关系

3.4.4水环境对FRP-混凝土粘结性能分析

3.5盐水环境对FRP-混凝土粘结性能影响

3.5.1破坏特征

3.5.2试验结果

3.5.3荷载和粘结端部滑移关系

3.5.4盐水环境对FRP-混凝土粘结性能分析

3.6碱性环境对FRP-混凝土粘结性能影响

3.6.1破坏特征

3.6.2试验结果

3.6.3荷载和粘结端部滑移关系

3.6.4碱性环境对FRP-混凝土粘结性能分析

3.7干湿交替环境对FRP-混凝土粘结性能影响

3.7.1破坏特征

3.7.2试验结果

3.7.3荷载和粘结端部滑移关系

3.7.4干湿交替环境对FRP-混凝土粘结性能分析

3.8冻融循环对FRP-混凝土粘结性能影响

3.8.1破坏特征

3.8.2试验结果

3.8.3荷载和粘结端部滑移关系

3.8.4冻融循环对FRP-混凝土粘结性能分析

3.9结论

4荷载和恶劣环境共同作用下FRP-混凝土结构粘结性能研究

4.1概述

4.2试验设计

4.3冻融循环对FRP-混凝土梁粘结性能影响

4.3.1试验环境

4.3.2试件设计

4.3.3试验结果描述

4.3.4破坏特征

4.3.5 FRP-混凝土梁试件受力分析

4.3.6冻融循环对FRP-混凝土梁粘结性能影响分析

4.3.7结论

4.4荷载和干湿交替环境共同作用对FRP-混凝土梁粘结性能影响研究

4.4.1试验环境及长期加载装置设计

4.4.2试验结果

4.4.3试验破坏特征分析

4.4.4 FRP-混凝土梁粘结试件发生斜截面破坏原因分析

4.4.5干湿交替环境对FRP-混凝土梁粘结性能影响分析

4.4.6荷载和干湿交替共同作用对FRP-混凝土梁粘结性能影响分析

4.4.7结论

5恶劣环境下FRP-钢结构梁粘结性能研究

5.1概述

5.2干湿交替环境对FRP-钢结构梁粘结性能影响研究

5.2.1概述

5.2.2试验设计

5.2.3加载及仪表布置

5.2.4试验结果及分析

5.2.5干湿交替环境下FRP-钢结构粘结破坏机理分析

5.2.6受到干湿交替作用后粘结剪应力的确定

5.2.7结论

5.3冻融循环对FRP-钢结构梁粘结性能影响研究

5.3.1概述

5.3.2试验设计

5.3.3冻融循环试验设计

5.3.4加载及仪表布置

5.3.5试验结果及分析

5.3.6冻融循环作用下FRP-钢结构粘结破坏机理分析

5.3.7结论

6荷载和恶劣环境共同作用下FRP-钢结构粘结性能研究

6.1概述

6.2试验设计

6.3试验结果及分析

6.3.1破坏特征

6.3.2荷载和干湿交替共同作用下FRP-钢粘结破坏结果

6.3.3干湿交替环境对FRP-钢粘结性能影响

6.3.4持续荷载对FRP-钢结构粘结性能影响

6.3.5荷载和干湿交替共同作用下FRP-钢结构的界面应力分析

6.3.6 FRP-钢结构粘结面上粘结剪应力分析

6.3.7荷载和干湿交替环境共同作用下FRP-钢结构粘结破坏机理分析

6.3.8受到荷载和干湿交替共同作用下粘结剪应力的确定

6.4结论

7结论与展望

7.1结论

7.1.1.腐蚀环境下FRP与混凝土界面粘结性能研究

7.1.2荷载和腐蚀共同作用下FRP与混凝土粘结性能研究

7.1.3腐蚀环境下FRP与钢结构界面粘结性能研究

7.1.4荷载和腐蚀共同作用下FRP与钢结构粘结性能研究

7.2进一步研究的问题

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢