基于耐久性的FRP筋与普通钢筋混合配筋混凝土构件设计及性能研究

The performance degradation of concrete structure induced by reinforcement corrosion will affect its safety, applicability, economy and other requirements during the life cycle of structure. In order to improve the durability of concrete structure in service, from the point of view of design, it is a beneficial attempt to use fiber reinforced polymer (FRP) in concrete elements with hybrid reinforcement of FRP and steel bars. Based on the research achievements obtained from applicant’s recent study, the concrete member with hybrid reinforcement of FRP and steel bars will be chosen as research object, and its design method, bearing capacity and durability performance will be basically studied. Firstly, the design method of hybrid FRP reinforced concrete elements, mainly beam and column, will be put forward in the view of getting better durability; and the definition of hybrid reinforcement ratio for this kind of element will be explored. Then, on the basis of experimental and numerical simulation results, the bearing performance and failure mode of hybrid FRP reinforced concrete element will be analyzed and its design method will be modified and optimized. Furthermore, the evaluation method of bearing capacity of hybrid FRP reinforced concrete element will be built. Finally, the comparative analysis of durability performance between hybrid FRP reinforced concrete element and single reinforced concrete element will be performed under certain aggressive environment. The methods of durability design and evaluation for hybrid FRP reinforced concrete element will be discussed. Relevant research results could provide some references to the development of durability design theory of concrete structure.

钢筋锈蚀引起的混凝土结构性能劣化将会影响到结构全寿命周期内的安全、适用、经济等要求。从设计角度将纤维增强复合材料FRP以筋材的形式对混凝土构件进行混合配筋，从而提升该类结构在服役期间的耐久性是一种有益尝试。本项目在申请人已有研究成果的基础上，选择FRP筋与普通钢筋混合配筋混凝土构件为研究对象，对其设计方法、承载能力以及耐久性能等方面进行基础科学研究。首先从提升耐久性角度出发，开展FRP筋与普通钢筋混合配筋混凝土构件（以梁、柱为主）设计方法研究，探索混合配筋率的定义方法；然后通过试验与数值模拟研究，分析混合配筋混凝土构件的承载性能及其失效模式，并对相关设计方法进行改进与优化，建立混合配筋混凝土构件承载能力评价方法；最后针对特定侵蚀环境，对混合配筋和单一配筋混凝土构件进行耐久性能对比分析，探讨混合配筋混凝土构件耐久性设计与评估方法。相关研究成果可为混凝土结构耐久性设计理论的发展提供一定参考。

钢筋锈蚀引起的混凝土结构性能劣化将会影响到结构全寿命周期内的安全、适用、经济等要求，因此如何降低钢筋锈蚀风险是当前研究热点。本项目在国家自然科学基金委的资助下，选择FRP筋材以及混合配筋混凝土构件为研究对象，对筋材的力学和粘结性能，混合配筋混凝土构件的设计方法、承载能力及耐久性能等方面进行试验研究与理论分析。主要工作及成果有：1）选取GFRP、BFRP及CFRP三种常见筋材，开展了3批360个FRP筋材的力学性能退化试验、108个FRP筋-混凝土粘结性能退化试验以及60根混合配筋混凝土构件（40根梁和20根柱）的短期和长期受弯性能试验；其中，部分混合配筋构件（梁和柱各10根）的长期性能试验仍在进行当中；2）经过水、盐溶液、碱溶液、混凝土以及高温环境作用后，FRP筋材的拉伸、弯曲和剪切性能均呈现不同程度的退化，其中碱溶液对GFRP筋力学性能退化影响最大，温度升高到270℃后FRP筋材的力学性能快速退化；并得到了不同环境下FRP筋材的长期性能预测模型；3）分析探讨了侵蚀溶液浸泡后FRP筋-混凝土粘结强度的退化规律，发现盐环境对粘结强度影响最大，并给出了两者间粘结-滑移本构关系退化模型；4）从提升结构耐久性出发，提出了FRP筋与普通钢筋混合配筋的混凝土梁、柱构件的设计方法，给出了满足适筋破坏要求的混合配筋率的定义方法及取值要求，建立了混合配筋混凝土梁受弯承载力及正常使用状态下裂缝宽度和挠度的计算模型；5）对比分析了两种混凝土强度的混合配筋混凝土梁受弯性能的差异，得出采用高强混凝土能有效提高混合配筋构件的承载能力；6）通过近2年的氯盐干湿侵蚀试验，发现混合配筋混凝土梁的承载能力退化明显低于钢筋混凝土梁，初步得出混合配筋设计方法是提升结构耐久性的一种有效方法。上述研究成果可为侵蚀环境作用下FRP筋材力学及粘结性能评价、混合配筋混凝土构件设计方法及其长期性能评价等相关科学问题的研究提供有效参考，为混凝土结构耐久性设计理论、全寿命性能评价方法的发展等提供一定的借鉴。