氯盐环境下FRP筋与钢筋混合配筋混凝土梁受弯性能退化研究

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纤维增强复合(Fiber Reinforced polymer,简称FRP)筋具有良好的耐腐蚀性能,作为一种新型钢筋替代材料在土木工程领域中将得到广泛的应用。将FRP筋替代部分钢筋应用到混凝土结构中,不仅可以减轻结构的自重还可以提高混凝土结构的耐久性能。由于FRP筋在实际工程中的应用时间较短,对其在服役期内的长期力学性能研究还缺乏足够的数据分析,这在一定程度上限制了FRP筋的应用与推广。近年来随着FRP筋在工程中的应用逐渐深入,国内外学者对FRP筋与钢筋混合配筋混凝土构件产生了极大的关注,然而对其在极端恶劣环境下的长期耐久性能的研究还比较少。鉴于此,本文以氯盐侵蚀环境为背景,选取GFRP和BFRP两种筋材为研究对象,对埋置于混凝土内的两种FRP筋力学性能退化、FRP筋与钢筋混合配筋混凝土梁(以下简称“混合配筋混凝土梁”)长期耐久性能以及时变可靠指标进行的深入分析,主要内容和取得的成果如下:1、氯盐环境下混凝土内GFRP/BFRP筋力学性能退化试验研究。将两种FRP筋作为受力主筋布置在混凝土梁内进行自然老化和加速老化试验,自然老化试验是将试验梁放置在室外进行自然侵蚀,加速老化试验是对试验梁进行氯盐溶液干湿循环试验。经过366天共计60次干湿循环后,将混凝土破碎取出FRP筋试样,对比分析自然老化和加速老化两种工况下FRP筋表面形态和力学性能退化规律。研究表明:氯盐侵蚀环境下,混凝土内FRP筋表面颜色变浅,表面粗糙、没有光泽并有松散纤维分布;试验破坏后树脂基体与纤维分开严重;自然老化和加速老化条件下FRP筋的拉伸、弯曲和剪切强度均有不同程度的降低;侵蚀环境对FRP筋的弹性模量影响不明显。2、混合配筋混凝土梁受弯性能试验研究。选取GFRP和BFRP两种筋材,设计制作了6根GFRP筋与钢筋混合配筋混凝土梁、2根BFRP筋与钢筋混合配筋混凝土梁和3根普通钢筋混凝土梁,研究FRP筋种类、配筋率以及FRP筋与钢筋截面面积比对混合配筋混凝土梁裂缝分布、裂缝宽度和挠度发展的影响。研究表明:混合配筋混凝土梁跨中截面应变仍符合平截面假定;混合配筋混凝土梁的最大裂缝宽度和平均裂缝间距随着混合配筋率ρnom,F的增大逐渐减小;当承载力相近时,混合配筋混凝土梁的挠度约为普通钢筋混凝土梁的1.151.61倍;合理的控制FRP筋和钢筋的面积比Af/As,可使混合配筋混凝土梁的变形满足设计要求;给出了单层混合配筋混凝土梁的短期最大裂缝宽度建议计算公式,理论值和试验值比值的均值为1.05,变异系数为0.165;混合配筋混凝土梁挠度计算模型建议采用规范CSA-S806-12中挠度公式计算。3、氯盐侵蚀环境下混合配筋混凝土梁耐久性能试验研究。选取GFRP筋和BFRP筋两种筋材,以FRP筋直径和配筋率为变量,制作了无裂缝和多裂缝两种工况的混合配筋混凝土梁,开展了366天共计60次的氯盐溶液干湿循环试验。研究结果表明:366天氯盐干湿循环后,箍筋和受拉钢筋(非FRP筋)表面发生锈蚀,FRP筋表面颜色发生变化,HRB钢筋和FRP筋力学性能均有不同程度的下降;普通钢筋混凝土梁受弯承载力下降了716%,而混合配筋混凝土梁受弯承载力下降为48%;部分混合配筋混凝土梁的破坏模式发生了转变,但截面应变仍符合平截面假定;侵蚀后试验梁的弯矩-挠度曲线与未侵蚀梁的形状基本相同;普通钢筋混凝土梁侵蚀后的短期最大裂缝宽度比侵蚀前的裂缝宽度要小,而混合配筋混凝土梁侵蚀前后最大裂缝宽度变化规律不明显;现有延性计算模型不能较好的预测长期氯盐侵蚀环境下混合配筋混凝土梁的延性变化趋势。4、对氯盐侵蚀环境下GFRP筋与钢筋混合配筋混凝土梁抗弯承载力进行了可靠度分析。考虑混凝土强度、钢筋强度和FRP筋强度的时变效应对混合配筋混凝土梁抗弯承载力的影响,给出了GFRP筋和钢筋混合配筋混凝土梁时变抗力计算模型,并对氯盐环境下GFRP与钢筋混合配筋混凝土梁抗弯承载力时变可靠指标进行了计算。结果表明:随着服役时间的延长,普通钢筋混凝土梁的抗弯承载力和可靠指标下降的速度比GFRP筋与钢筋混合配筋混凝土梁要来的快。
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