GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁受力性能与设计方法项目摘要

针对土木工程中日益严重的钢筋锈蚀问题,以及FRP筋混凝土结构刚度低、挠度大和强度利用率低等缺点，本项目旨在发展新型高耐久性GFRP/钢绞线复合筋混凝土结构。首先，对GFRP/钢绞线复合筋的粘结性能进行试验研究，给出最佳肋参数的建议值，提出粘结强度、锚固长度和混凝土保护层厚度的计算方法，并构建粘结-滑移本构关系模型；其次，对配筋率不同的GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的力学性能进行试验研究，并提出最小配筋率、最大配筋率和安全配筋率的计算方法；再次，提出满足安全配筋率要求的GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁承载力极限状态的计算方法和正常使用极限状态的验算方法；最后，根据数值模拟、试验研究和理论分析的结果，提出新型设计指标，给出GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的设计方法。通过以上系统研究，可形成一套完善实用的GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁数值模拟、试验研究、性能分析与设计方法，为其推广及应用提供科学依据

土木工程基础设施，如桥梁、海洋结构、海港码头、大坝、隧道等使用期都长达几十年，甚至上百年。在其服役过程中，在潮湿、温度变化、氯离子等恶劣环境下，钢筋容易产生锈蚀，结构不可避免地产生损伤累积和抗力衰减，使其抵抗自然灾害的能力下降，甚至引发灾难性的突发事故。如何提高钢筋混凝土结构的耐久性，是土木工程急需解决的问题。 本项目研究内容采用的GFRP/钢绞线复合筋的抗拉强度和耐腐蚀能力优于钢筋，可以解决钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀问题；同时，其弹性模量和屈服性能优于纯GFRP筋，可以较好地弥补GFRP筋混凝土结构挠度大、裂缝宽的缺陷。可以预见，GFRP/钢绞线复合筋混凝土结构的力学性能、耐久性能好，可以首先被应用于桥梁结构构件，提高其耐久性与安全性。 本文在自行研制GFRP筋和GFRP/钢绞线复合筋的基础上，对GFRP筋与混凝土的粘结性能、GFRP/钢绞线复合筋与混凝土的粘结性能、GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的力学性能和设计方法进行了系统的研究，主要研究内容如下： 首先，利用拉拔试验，基于直径、锚固长度、混凝土强度、保护层厚度和混凝土浇筑深度对粘结强度的影响，研究了GFRP/钢绞线复合筋的锚固长度、粘结强度和混凝土保护层厚度的计算方法，并构建了粘结-滑移本构关系模型，为相关规范的制订提供参考。 其次，利用试验，研究配筋率对GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁开裂形态、裂缝宽度、裂缝间距、受力性能、荷载-挠度关系的影响；并在此基础上，建议GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的最小配筋率、最大配筋率和对应理想破坏形式的安全配筋率的计算方法。 第三，基于安全配筋率，利用试验进一步深入研究GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的受力性能，并和GFRP筋混凝土梁和钢筋混凝土梁进行比较；结合试验结果建议了GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁正截面抗裂度、正截面极限承载力、最大裂缝宽度和挠度的计算方法。 第四，结合试验结果，提出了GFRP/钢绞线复合筋名义屈服强度的概念，建议了GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁正截面承载力设计的简化方法；同时，结合与钢筋混凝土梁受力性能的比较结果，建议了GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁最大允许裂缝宽度，为相关规范的制订提供参考。 2100433B

土木工程基础设施以钢筋作为受力筋的钢筋混凝土结构，由于钢筋的锈蚀导致其功能提前退化或失效，不仅造成巨大的经济损失，而且成为重大安全隐患。因此，如何采用性价比优越的GFRP筋有效替代或部分替代钢筋，提高土木工程基础设施耐久性具有重要理论和现实意义。本项目针对GFRP筋混凝土耐久性基础研究的控制问题，即受持续应力、带工作裂纹混凝土梁受环境作用引起其中GFRP筋抗拉强度演化机理作为研究主题：主要研究其GFRP筋抗拉强度加速试验短期行为；受环境作用GFRP筋聚合物基体玻璃软化温度及碱性等物质扩散特征；在此基础上进一步研究形成实际运营环境混凝土梁中GFRP筋寿命期长期抗拉强度多参数随机变化的半可靠性概率型预测理论模型。目的为GFRP筋混凝土结构设计规范或指南中GFRP筋抗拉强度确定及改善耐久性设计奠定一定的理论及应用基础。

土木工程基础设施以钢筋作为受力筋的钢筋混凝土结构，由于钢筋的锈蚀导致其功能提前退化或失效，不仅造成巨大的经济损失，而且成为重大安全隐患。因此，如何采用性价比优越的GFRP筋有效替代或部分替代钢筋，提高土木工程基础设施耐久性具有重要理论和现实意义。对处于实际服役混凝土环境下GFRP筋抗拉性能的退化规律进行了较为系统地研究，主要分析了浸泡溶液（碱性溶液、自来水）、环境温度（20℃、40℃、60℃）、弯曲荷载水平（0、25%）、工作裂缝、侵蚀时间（40天、90天、180天、300天）等因素对GFRP筋耐久性能的影响。同时结合扫描电子显微镜（SEM）和差示扫描量热法（DSC）等手段从微观角度对老化试验前后GFRP筋进行观察与分析，在此基础上对混凝土环境中GFRP筋抗拉强度的退化机理进行了研究。环境温度的升高加速了混凝土环境中GFRP筋抗拉强度的退化速率，且温度越高，加速趋势越明显。持续荷载对混凝土环境环境中GFRP筋抗拉强度的退化程度有一定的影响，且随着温度的升高，持续荷载所造成退化的效果愈加显著；在无持续荷载混凝土环境下，工作裂缝对GFRP筋抗拉强度的影响较小，随着持续荷载水平的增加，GFRP筋抗拉强度退化速率加快，且有工作裂缝混凝土环境比无工作裂缝混凝土环境的退化趋势更加明显。另外，为了准确预测混凝土环境下GFRP筋抗拉性能退化规律，基于Fick定律预测模型，通过引入含时间函数的随机变量，充分考虑基本可变量的不确定性，建立了混凝土环境下GFRP筋长期抗拉强度半概率可靠性预测模型。通过将试验数据与模型预测值进行对比分析，验证了所推导的考虑不确定因素的半概率可靠性预测模型的准确性；为真实混凝土环境下GFRP筋的抗拉强度预测及服役寿命预估提供了数据支持和理论依据。 2100433B

针对基础设施中日益严重的钢材锈蚀问题和纯FRP（纤维增强复合材料）结构初次投入大、刚度低等不足，本项目意在发展新型、高耐久性的FRP-混凝土组合梁。首先，设计两种新型、高耐久性的FRP-混凝土组合梁；其次，通过试验研究FRP与混凝土连接性能，探寻多试验参数对连接性能的影响规律，建立FRP/混凝土界面粘结-滑移本构模型，提出实用的组合界面抗剪设计方法；再次，通过理论分析、数值模拟与试验研究FRP-混凝土组合梁基本力学性能，归纳、总结和完善已有的组合梁基本力学性能理论分析方法，提出适合初步设计的简化分析与设计方法；最后，通过理论分析、数值模拟与试验研究FRP-混凝土组合梁长期力学性能（徐变、疲劳和温差），提出组合梁长期力学性能理论分析方法。通过上述组合梁受力性能的系统研究，建立一套实用的FRP-混凝土组合梁受力性能分析、试验与设计方法，为推广该新型组合梁在实际工程中应用提供科学依据。