大直径FRP拉索锚固方法及其在长期荷载作用下的退化机理研究

The current limitations in the application of FRP cables in long-span cable-supported structures lies in the anchorage size limitation and lack of long-term evaluation, this proposal will study the characteristics of FRP cable's anchorage with increasing cable diameter and develop the corresponding anchoring method, based on which the performance of anchorage zone under the long-term loads including fatigue and creep as well as the enhancement methods will be studied comprehensively. The concept of same source material by adopting FEM simulation and the method of composite design will be used to study the anchoring characteristics and method. The study of long term performance of above developed anchorage will be conducted by using micro observation technology and damage mechanics. Furthermore, the enhancement method will be developed by considering fiber hybrid design and matrix modification. The proposed study is featured by clarifying damage mechanism and control factors under fatigue and creep actions from the micro perspective by SEM in-situ observation technology, as well as the evaluation and prediction of the long-term performance of the anchorage zone by full-scale testing and multi-scale FEM analysis. The proposed study will provide substantial database that will greatly push forward the wide acceptance and application of FRP cable supported structures.

针对FRP拉索在大跨索结构中应用存在的拉索锚固方法尺寸限制和长期性能评价缺乏的瓶颈问题，拟研究FRP拉索随直径增大带来的特殊锚固问题及其锚固方法，并在此基础上研究锚固区域在长期荷载（疲劳、蠕变及其耦合作用）下的性能及其控制提升方法。研究拟采用有限元模拟和复合材料设计工艺方法，研究大直径FRP拉索锚固特性及基于同源材料的锚固方法，并利用微细观观测技术和损伤力学方法进一步阐明拉索锚固区在长期疲劳、蠕变及其耦合作用下的损伤演化机理和寿命预测模型，同时结合纤维混杂和基体改性方法探讨FRP拉索锚固区长期性能提升方法。本研究特色在于利用SEM原位观测技术从微细观层次揭示FRP拉索锚固区域在疲劳和蠕变作用下的损伤机理和控制因素，并结合宏观足尺FRP拉索锚固试验，通过多尺度有限元分析，建立FRP拉索锚固区性能评价和预测方法。本研究为推动FRP在大跨索结构中的广泛应用提供必要数据和支撑。

纤维增强复合材料（FRP）因其轻质高强、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，在土木工程结构加固改造和部分新结构中得到成功应用。其中拉索结构被认为是最能发挥出FRP材料高性能的结构形式，在大跨桥梁中具有广阔的前景，但FRP 拉索一直未能在重大工程中广泛应用，其主要瓶颈在于缺乏安全可靠的大直径 FRP 拉索锚固体系和拉索锚固区长期性能评价方法。.针对上述两方面问题，本项目开发了两种适用于大直径FRP拉索的锚固形式——多段式变刚度锚固和一体化变刚度锚固体系，利用有限元方法对这两种锚固形式的荷载传递材料性能、锚具尺寸等参数进行了优化，并利用成熟、系统的工艺生产出实际的拉索-锚具系统，对其静力性能和疲劳性能开展了试验研究和有限元模拟。此外，对多场耦合环境下的FRP单筋进行了疲劳、蠕变和松弛试验研究，并利用SEM原位观测研究了疲劳、蠕变的机理，阐明了长期荷载下的损伤发展规律，提出了疲劳蠕变性能提升方法和FRP拉索质量控制指标。.研究结果表明，多段变刚度锚固和一体化变刚度锚固方法都具有很高的锚固效率（大于85%），锚固区的应力集中得到显著减缓，并初步阐明了拉索疲劳寿命与应力水平的关系，试验结果与有限元分析数据吻合较好，对于大吨位锚固结构设计具有很高的参考价值。有限元分析得到不同应力幅下疲劳使用寿命预测公式，结果表明所开发的锚固体系在极限应力的50%的应力水平且应力幅为175MPa的情况下，疲劳寿命超过200万次，满足实际工程的疲劳性能需求。在机理研究方面，揭示了FRP高应力疲劳下为纤维断裂控制，中低应力疲劳下为基体和界面控制的机理，并提出利用树脂增韧和纤维混杂提升FRP疲劳性能的方法。提出了预张拉提升蠕变松弛的方法，使FRP拉索蠕变率降低50%以上，蠕变断裂应力提高到0.54fu，1000小时松弛率仅为2.6%，与钢绞线接近。此外研究还表明，盐溶液对BFRP拉索的短长期力学性能的影响是微弱的，为BFRP拉索在海洋工程中的应用提供了理论依据。