面向远洋岛礁工程的RPC-FRP预制管组合柱基本性能研究

Construction on offshore reefs is a very important method to develop marine resources and to safeguard maritime rights and interests for China. Considering severe corrosive environment and distant course of offshore reefs, existing structures show obvious shortcomings for islands and reefs projects. A novel composite column combining RPC, FRP bar and concrete with seawater and sea sand is presented in this application, which owns several outstanding advantages such as excellent durability, high carrying capacity, using local materials and easy construction for offshore reefs engineering. Tests will be performed both from materials and structures and the main contents include the spun concrete processing of RPC-FRP tube, the constitutive relation, the lateral resistance and the durability under marine environment of the composite columns. Based on the test data and FEM analysis, the confinement model and the restoring force model will be provided. Then the design method and durability evaluation for the composite column can be established. The key parameters of spun concrete processing will be also presented through trial process. Implementation of this application is hope to present some innovative research results and to promote the development of composite structures. The composite structure shows good application prospects in offshore reefs development in the future.

远洋岛礁建设对于我国开发海洋资源、维护海洋主权而言，是非常重要而迫切的任务，而由于岛礁自然环境恶劣、地理位置偏远，现有结构用于远洋岛礁工程均存在明显缺陷。着眼于高性能材料、新型组合结构与海洋工程交叉领域，申请人提出RPC-FRP预制管与海水海砂混凝土相结合的新型组合柱，该体系具有耐久性好、承载力高、就地取材、施工方便等突出优势。本申请从材料和结构两个层次开展试验，重点研究RPC-FRP管离心法工艺、组合柱的约束本构关系、抗侧力性能与海洋环境下的耐久性能。基于试验数据与精细有限元分析，建立组合柱的约束本构模型和恢复力模型，提出组合柱承载力设计方法和耐久性评价指标。通过试制，给出RPC-FRP预制管离心法关键工艺参数，实现组合柱初步达到应用要求的技术目标。本申请对于创新组合柱的形式、开发新型结构具有科学意义。项目的实施将取得一批原创性成果，并在远洋岛礁工程中具有良好的应用前景。

现有约束组合柱，如FRP箍筋约束混凝土、FRP管混凝土及不锈钢管混凝土等，应用于远洋岛礁工程，均存在性能上的缺陷，成为海洋工程发展中的瓶颈性问题。本项目围绕新材料与新型组合结构、海洋工程这一交叉领域课题，提出一种新型组合结构—RPC-FRP管海水海砂混凝土组合柱（SFRPCT柱），其基本形式为：将RPC预制为内部配有FRP箍筋的薄壁管，内部填充海水海砂混凝土（SWSSC）。本项目在RPC-FRP管离心法工艺、FRP筋与SWSSC粘结-滑移性能、SFRPCT柱抗压性能与组合效应、SFRPCT抗震性能及耐久性能方面开展了试验与分析。基于研究结果，提出了RPC-FRP预制管离心法标准工艺流程和关键工艺参数，解决了RPC-FRP预制管工业化生产的关键性技术问题；获得了FRP筋与SWSSC的粘结性能基本指标，提出了FRP筋与SWSSC的粘结-滑移本构关系及抗拔强度计算方法；基于组合截面材料力学性能、应力状态与约束效应，建立了SFRPCT的约束本构关系模型，提出了其抗压承载力计算方法；对SFRPCT柱抗震性能开展研究，获得了CFRT抗震性能关键指标，依据现行抗震设计规范对其抗震性能进行了评价；对FRP粘结SWSSC、SFRPCT柱在模拟海洋环境下的力学性能退化进行了试验，获得了试验期内的退化规律。本项目的研究表明，SFRPCT柱将RPC、FRP两种高性能材料的力学性能和耐久性能有效结合了起来，充分发挥了箍筋约束效应，具有突出的力学性能和耐久性，便于装配式施工。同时，利用岛礁资源配制混凝土，具有良好的经济性，其延性也满足现行抗震设计规范对罕遇地震下的延性要求，因而，在远洋岛礁工程建设中具有良好的应用前景。本项目取得了一批原创性成果，为SFRPCT这一新型组合柱的深入研究与应用奠定了基础。