腐蚀环境下GFRP-钢管混凝土结构动力性能研究

GFRP-钢管混凝土结构是在钢管内填充混凝土，外部缠绕GFRP片材而形成的一种复合结构。目前GFRP材料被广泛应用于建筑结构加固修补中，而关于GFRP与钢管混凝土结构的结合应用尚无报导。现有研究表明，由于GFRP材料的特殊性能，包括较高的极限延伸率和优异的防腐性能以及热膨胀系数与钢和混凝土接近等，使其能够与钢材很好的协同工作，将其用于提高钢结构的防腐耐久性及动态抗力，比CFRP更具优势。本项目针对钢管混凝土的应用环境和自身性能特点，拟开展腐蚀环境下GFRP-钢管混凝土动力学性能的理论和试验研究，在系统考查复合结构的基本力学性能的基础上，探讨腐蚀损伤对结构抗冲击和抗震性能的影响以及GFRP对结构腐蚀的防护作用，提出基于弹塑性力学和损伤理论的静、动态力学分析模型，建立结构的实用设计计算方法。为这种新型复合结构的工程应用奠定理论基础。

项目对腐蚀环境下GFRP-钢管混凝土静、动力学性能开展了系统深入的研究。首先以增量理论建立FRP-钢管混凝土轴压受力全过程理论分析模型，并应用试验验证。以此对各组分材料和构件整体进行分析，总结了FRP约束效应、截面含钢率、混凝土强度、钢材屈服强度等指标对构件整体力学性能的影响。基于纤维模型原理提出FRP-钢管混凝土压弯构件轴力-弯矩关系公式，并应用试验和数值仿真结果验证。应用该理论分析了不同形式FPR-钢复合管的约束效应、荷载偏心率对核心混凝土本构的影响以及柱体长径比对整体构件轴压承载力的影响等。在抗震性能研究方面，对腐蚀环境下GFRP-钢管混凝土静力学性能进行试验和理论研究，对GFRP对钢管混凝土的抗腐蚀加固效果进行了测试与评价，结果表明GFRP加固可以有效恢复腐蚀造成的承载力及刚度的下降。对G/CFRP加固普通和薄壁钢管混凝土试件进行拟静力试验， 研究FRP的抗震加固效果。试验发现在往复荷载作用下薄壁钢管的局部屈曲是造成柱体强度退化的主要原因，环向CFRP对柱体抗震性能提高效果更显著。提出了考虑局部屈曲的钢管本构模型并建立相应的恢复力准则，在此基础上采用纤维模型法原理建立FRP-钢管混凝土压弯构件滞回曲线理论模型，分析了个组成材料对整体构件累积耗能的贡献情况。通过电化学腐蚀试验研究海洋环境下FRP对钢材的防腐效果，对腐蚀损伤的钢管混凝土和利用GFRP修复的试件开展拟静力试验，发现GFRP可对海洋环境下的钢材形成良好的防腐保护，GFRP加固后部分试件承载能力、延性指标得到有效恢复甚至超过原有未腐蚀构件。对FRP加固钢管混凝土结构的抗冲击性能进行试验研究和理论分析，采用落锤式冲击试验机对两端简支试件进行侧向冲击试验，获得了冲击力、加速度、位移和应变时程曲线，并探讨了冲击部位局部接触刚度与结构冲击响应的关系。通过电化学腐蚀试验考查腐蚀损伤对构件抗冲击性能的影响，评估FRP钢管混凝土构件防腐效果。通过对比未腐蚀前后试件冲击变形和耗能程度，以及对比腐蚀试件两次冲击的劣化程度，证明了FRP对钢管混凝土试件的腐蚀防护作用。针对FRP在冲击部位局部破坏问题，对二维Hashin复合材料损伤准则进行修正，提出三维损伤准则。通过与试验数据对比，证实三维损伤准则能够更好的模拟落锤正面撞击后基体的法向压实以及纤维压断的破坏过程，从而实现了对这种复杂结构冲击过程的仿真模拟。