FRP筋与海水海砂混凝土界面粘结耐久性研究

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随着沿海地区海岛的开发与建设,混凝土的高消耗给以河砂为主的自然资源造成了沉重的负担。此外,在恶劣服役环境下,混凝土结构内部钢筋极易锈蚀。纤维增强复合材料(FRP)筋具有优异的耐腐蚀性能,用其替代混凝土结构中的钢筋可有效解决结构耐久性不足的问题。而且,我国沿海地区海水、海砂储量丰富,使得其成为可持续且经济高效的建筑材料。FRP筋与海水海砂混凝土的界面粘结性能是两者协同工作的基础,其界面耐久性能会影响结构在设计服役年限下的安全性和耐久性。为此,本文从试验、理论分析和数值模拟三个方面对FRP筋与海水海砂混凝土的界面粘结耐久性能进行了研究,具体研究内容及成果如下:(1)在真实海水环境下,通过中心拉拔试验,对GFRP筋、BFRP筋和SFCB筋与海水海砂混凝土的粘结耐久性能进行了试验研究。结果表明,GFRP筋的粘结耐久性能最优,BFRP筋的粘结耐久性能优于SFCB筋,这是受海水长期浸泡和不同FRP筋制造工艺差异的影响。根据试验数据,对3种筋的长期粘结性能进行了预测。预测结果表明,随着时间的增加,3种FRP筋的极限粘结强度退化速度均减缓;当服役50年时,海洋环境、室外环境及室内环境下GFRP筋的极限粘结强度退化因子分别为0.12、0.08和0.05;BFRP筋的极限粘结强度退化因子分别为0.56、0.35和0.21;SFCB筋在服役10年时的极限粘结强度退化因子分别为0.67、0.42和0.26。(2)根据试验粘结-滑移曲线,结合已有FRP筋粘结-滑移本构模型,提出FRP筋与海水海砂混凝土粘结-滑移本构模型,该模型能够较好地用于描述3种带肋FRP筋的粘结滑移过程。基于本文的粘结-滑移本构模型,依据界面粘结平衡方程推导出正常使用阶段时FRP筋的基本锚固长度公式,然后,提出考虑修正系数的锚固长度公式,通过计算对比,表明本文提出的公式有一定的可靠性。最后,引入极限粘结强度退化因子,给出GFRP筋和BFRP筋在海洋环境、室外环境和室内环境下设计使用年限为50年和SFCB筋设计使用年限为10年的锚固长度计算公式。(3)通过ABAQUS有限元软件对15个拉拔试件进行数值模拟。结果表明,计算得出的粘结-滑移曲线和粘结应力峰值与试验结果吻合较好,而粘结应力峰值对应的滑移计算值比试验值略大。此外,混凝土的应力与应变分布可以清晰观察到不同阶段混凝土的受力状态;通过修改材料属性值,不同龄期下各试件峰值粘结应力处对应的混凝土粘结区应力分布的有限元计算结果与试验结果吻合程度较好,证明利用ABAQUS有限元软件能够比较准确地描述粘结滑移时真实的受力过程。
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