爆炸荷载作用下FRP管混凝土地下拱结构抗爆性能与破坏机理研究

Construction of underground engineering concerns the safety of people’s lives and property. In recent years, to enhance the resistance and durability of underground structures is becoming the most urgent mission and challenge for the development of underground engineering. Application of concrete-filled FRP tube to underground engineering is hopeful to solve the existing problem. In this subject, the mechanical property, anti-blast property and failure mechanism of buried arch structure built with concrete-filled FRP tube will be thoroughly studied through combing experimental research and theoritical analysis. Reasonable and workable production technology will firstly be proposed. Governing equation of the structure under dead load will be developed and solved. Mechanical property and its influencing factor will be ascertained. Then a theoretical calculation method will be developed and be verified through test. Based on this method, the changing law of mechanical property with each parameter will be analyzed. Governing equation of the structure under dynamic load will be developed and solved. By which the response law and failure mechanism of buried arch structure built with concrete-filled FRP tube will be revealed. Then a theoretical calculation method for dynamic response of the structure will be developed and be verified through test. The failure modes of the structure are modeled theoretically, by which the comprehensive failure criteria and damage model of the structure will be provided. Based on all of the above analysis, a designing and calculating method for buried arch structure built with concrete-filled FRP tube is put forward. Research findings of this subject will provide theoretical guidance and technical support for designing and calculating of underground engineering.

地下工程建设关系到人民生命财产安全。近年来，提高地下结构的抗力性能和耐久性能已成为推动地下工程建设发展的紧迫任务和挑战。FRP管混凝土拱结构的应用有望解决现有难题。本课题拟采用试验研究、理论分析相结合的研究方法，针对FRP管混凝土地下拱结构的力学性能、抗爆性能和破坏机理展开深入研究。提出合理可行的生产工艺方案；在静载作用下，建立并求解结构控制方程，探明结构力学性能及其影响因素，提出合理有效的理论计算方法并进行试验验证；在动荷载作用下，建立并求解结构动力控制方程，揭示爆炸荷载作用下FRP管混凝土地下拱结构的响应规律和破坏机理，提出合理可行的结构动力响应计算方法并进行试验验证；针对FRP管混凝土地下拱结构的破坏模式建立理论分析模型，提出结构综合破坏准则；在此基础上，提出FRP管混凝土地下拱结构设计计算方法。本课题研究成果可为FRP管混凝土地下工程设计计算提供一定的理论指导和技术支持。

地下工程的发展急需一种高抗力、强耐久性的新型结构来弥补现有结构形式的不足，从而改变地下工程建设发展的现状。基于CFFT结构在强度和耐久性上的优越性，将其应用到地下工程建设中有望解决目前地下工程发展中存在的难题。由于拱形结构是地下工程中采用的主要结构形式，因此开展CFFT地下拱结构研究对保护人民生命财产安全，开辟地下工程发展新方向具有重要意义，对经济和社会发展具有重大的应用价值。.基于上述背景，本项目主要开展了以下研究：.1、分别提出了一种CFRP直管和管拱的制备工艺。采用CFRP套管+橡胶充气芯模+环氧树脂胶的方法设计制备了CFRP管空心直管，采用CFRP套管+可变形芯模+定性装置 +环氧树脂胶的方法设计制备了CFRP管拱；.2、揭示和验证了CFRP管约束作用下CFRP管——混凝土构件的力学性能。利用设计 制备的CFRP管制作了CFRP管—混凝土短柱、梁和拱形结构，针对 CFRP空管开展了侧向和轴向压缩试验，针对CFRP直管—混凝土短柱和梁分别开展了轴向压缩和三点弯试验；利用试验结果对其力学性能进行了分析研究。 .3、揭示了CFRP管——混凝土拱形结构的抗爆性能。针对CFRP管—混凝土拱开展了抗爆试验和拱顶准静态加载试验，通过分析抗爆动力响应和破坏模式，结合剩余承载 能力试验结果，验证和揭示了其抗爆性能。.4、建立了完好拱结构和损伤拱结构极限承载力分析模型，提出了损伤拱结构损伤折 减系数拟合方法。通过建立完好拱结构和损伤拱结构的等效分析模型对CFRP管—混凝土拱结构进行了理论研究。.通过本项目的研究工作，CFRP管的制备工艺、CFRP管——混凝土结构的力学性能和 抗爆性能、CFRP管——混凝土结构等效计算方法和损伤系数判定等方面有所进展，完 善了国内外关于CFRP管——混凝土结构力学性能和抗爆性能的理论和试验研究，为工程设计与防灾减爆提供了技术手段和工程措施。