大应变FRP加固锈蚀钢筋混凝土柱的抗震性能研究

The technique of externally bonded Fiber Reinforced Polymer (FRP) has been treated as an effective method to the strengthening and rehabilitation of corroded concrete structures, due to its prominent advantages of high strength and high corrosion-resistance. However, because of the brittle fracture properties of the most commonly-used FRPs of high elastic modulus but relatively quite small ultimate rupture strain (1.0% ~ 3.0%), the effectiveness of the technique has been significantly limited in the seismic strengthening. Therefore, the proposed research project will investigate the seismic performance of corroded RC structures strengthened with the newly developed large rupture strain FRP (LRS-FRP) of which the tensile rupture stain is larger than 5%. This project will start with the investigation of the buckling properties of steel bars with both uniform and pitting corrosion, followed by a series of experimental and theoretical studies on the effect of LRS-FRP confinement on the bond behaviors between corroded steel bar and concrete, and the mechanics performance of LRS-FRP confined corroded RC columns under axial and eccentric loading, respectively. The buckling behaviors of corroded steel bars embedded in LRS-FRP confined RC columns under compression will be explored thereafter. On the base of these works, an in-depth study on the hysteretic characteristics (including the ductility, energy dissipation, stiffness degradation, etc.) and the development law of plastic hinge of LRS-FRP strengthened corroded RC columns will be conducted. The direct deliverables of this project will provide a better understanding of the seismic performance of LRS-FRP strengthened RC columns and finally lead to further establishment of the seismic design of LRS-FRP strengthened RC columns.

外贴纤维增强复合材料（FRP）增强混凝土结构技术以其高强、耐腐蚀等优点，成为对劣化混凝土结构力学性能修复的有效方法。然而，目前主流的几种FRP材料因其弹性模量高、拉伸断裂应变低（1.0%~3.0%）的脆断性质受限于抗震加固。因此，本申请项目拟采用最新出现的大应变FRP（Large-Rupture-Strain FRP，简称LRS-FRP，断裂应变≥5%）对锈蚀钢筋混凝土结构进行抗震加固，研究LRS-FRP加固锈蚀钢筋混凝土柱的抗震性能。项目拟从研究不同锈蚀状态（均匀锈蚀与坑蚀）下的钢筋受压屈曲本构出发，逐步地开展LRS-FRP约束下锈蚀钢筋-混凝土粘结特性、LRS-FRP加固锈蚀钢筋混凝土柱的受压力学性能、滞回特性（延性、耗能与刚度退化规律）及塑性铰发展规律的系列研究，以深入揭示LRS-FRP对锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能的增强机理，建立LRS-FRP加固锈蚀钢筋混凝土柱的抗震设计方法。

外包FRP被认为是对锈蚀钢筋混凝土结构进行补强加固的一种经济高效的方法，相对于传统的脆断性FRP材料（CFRP/GFRP/AFRP），一种全新的大应变FRP材料（LRS-FRP）具有刚度低、延性好等特点，其大应变的优势使其在抗震加固中具有潜在的优越性。本项目立足于延长锈蚀钢筋结构的使用寿命，开展了采用LRS-FRP材料加固锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能的研究。首先研究了均匀锈蚀与坑锈蚀后钢筋的受压屈曲特性，建立了钢筋屈曲的力学本构；然后研究了LRS-FRP约束下锈蚀钢筋与混凝土的粘结性能，分析了CFRP与LRS-FRP约束对锈蚀钢筋-混凝土粘结性能增强机理的异同；接着分别研究了在轴心受压和偏心受压下LRS-FRP加固锈蚀钢筋混凝土柱的力学性能，建立了考虑LRS-FRP与钢筋混凝土相互作用的约束混凝土柱的强度模型以及锈蚀钢筋的受压屈曲模型；最后，研究了低周往复荷载作用下LRS-FRP加固锈蚀钢筋混凝土柱的滞回特性、塑性铰发展规律及其受力钢筋的屈曲特性，建立了LRS-FRP加固锈蚀钢筋混凝土柱的荷载-位移恢复力模型，揭示了LRS-FRP对锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能的增强机理。本项目取得如下研究成果：.1). 建立了坑蚀和均匀锈蚀钢筋的受压屈曲力学本构，明确了LRS-FRP约束对锈蚀钢筋屈曲特性的影响机理。.2). 建立了LRS-FRP 约束下锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度、粘结滑移关系模型，明确了LRS-FRP 约束下对锈蚀钢筋-混凝土界面粘结特性影响机制。.3). 明确了LRS-FRP 约束条件下锈蚀钢筋混凝土柱中钢筋受压屈曲的主要影响因素，建立了LRS-FRP 约束条件下钢筋的受压屈曲本构模型。.4). 明确了锈蚀钢筋屈曲对LRS-FRP 断裂应变的影响，建立了LRS-FRP 断裂应变理论模型和经验公式。.5). 建立了考虑LRS-FRP 与锈蚀钢筋相互作用影响的约束混凝土柱轴压强度模型、偏压强度模型和往复荷载作用下的恢复力模型。.6). 探明了钢筋的锈蚀程度和不同的约束刚度对加固构件的延性系数、耗能能力以及塑性铰发展规律的影响，并建立了相关的预测模型。.7). 发表了SCI论文29篇，授权发明专利3项，授权实用新型专利2项；培养硕士研究生6名（4名毕业，2名在读）。