【摘 要】
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碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)筋以其轻质高强、耐腐性及抗疲劳性能优良等诸多优点,而有望成为恶劣使用环境下土木工程结构中钢制筋材的替代品。为最大程度发挥CFRP抗拉比强度高的特性,宜将其作为拉索(包括预应力体外索、斜拉桥拉索、悬索桥和中下承式拱桥吊杆等)使用。以活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)为
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碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)筋以其轻质高强、耐腐性及抗疲劳性能优良等诸多优点,而有望成为恶劣使用环境下土木工程结构中钢制筋材的替代品。为最大程度发挥CFRP抗拉比强度高的特性,宜将其作为拉索(包括预应力体外索、斜拉桥拉索、悬索桥和中下承式拱桥吊杆等)使用。以活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)为粘结介质的粘结型锚固系统与各向异性的CFRP拉索更为适配,并已逐渐推广应用于土木工程中。然而,CFRP拉索及其粘结型锚固系统在建造与运营过程中可能遭受火灾威胁,其抗火性能亟待研究。基于此,本文以国家自然科学基金“活性粉末混凝土灌注的碳纤维预应力索粘结型锚固系统抗火性能研究”(项目批准号:51908206)为依托,研究CFRP拉索抗火性能和高温后CFRP筋及其锚固系统力学性能,以期为相关结构设计规范的编制提供理论依据。完成的主要研究内容如下:(1)为获取火灾下CFRP拉索受拉本构模型及耐火极限,对恒温加载及恒载温升条件下共计10组CFRP拉索试件进行了拉伸试验,主要研究参数包括温度(25℃、100℃、210℃、300℃、400℃和600℃)和初张比(0.2、0.4、0.6和0.7)。结果表明:对于恒温加载试件,100℃温度作用下,筋材的抗拉强度和弹性模量较常温试件分别下降了2.3%和11.4%,轴向拉伸性能退化轻微。当温度达到300℃,由于树脂基体的软化,筋材性能退化显著,筋材的抗拉强度和弹性模量仅为常温试件的59.1%和55.0%。处理温度为600℃时,由于树脂基体的分解与碳纤维力学性能的大幅衰减,CFRP拉索几乎失去了静力性能。对于恒载温升试件,CFRP拉索破坏时的温度及耐火极限均随初张比增大而逐渐减小;初张比r由0.2增大至0.7时,CFRP拉索破坏时温度由761℃减小为428℃,降低了43.8%;耐火极限由17.35min减小为5.49min,衰减了68.4%;4组试件破坏时温度均大于400℃。基于试验结果,明确了高温作用下CFRP拉索轴拉性能的退化机理以及温度-荷载路径对CFRP拉索轴向拉伸性能的影响规律,建立了高温下CFRP拉索的拉伸本构模型和耐火极限计算公式。(2)为研究CFRP拉索高温蠕变及松弛性能,对48组CFRP拉索试件进行了恒温加载-恒载恒温和恒载温升-恒载恒温下的蠕变、松弛试验。主要研究参数包括温度(25℃、210℃、300℃和500℃)和初张比(0.2、0.4和0.6)。实测了高温下CFRP拉索应力-应变时程曲线及蠕变、松弛后的剩余强度,结果表明:对于蠕变试件,温度≤300℃,CFRP拉索在较短时间(30min)内蠕变速率较大,随后蠕变增长较为平缓;处理温度为500℃且应变达到一定值时,试件蠕变速率呈指数型增长直至试件发生破断;试件的蠕变应变随着温度的升高和初张比的增大而增大;试件在恒载温升-恒载恒温下的蠕变值大于恒温加载-恒载恒温蠕变作用;相较于高温下未经蠕变的CFRP拉索,经过高温下的蠕变作用后筋材极限强度有所提高。对于松弛试件,CFRP拉索试件应力损失随时间变化规律与蠕变应变随时间变化规律相似,试件的应力损失随着温度的升高和初张比的增大而增大。根据试验结果,明确了温度-荷载路径对拉索剩余承载能力、蠕变应变和松弛应力的影响规律,提出了不同温度作用下CFRP拉索蠕变应变和松弛应力的预测公式。(3)为研究高温后CFRP筋材的轴向拉伸性能,以筋材的处理温度(25℃、100℃、200℃和300℃)为试验参数,完成12个试件的轴向拉伸试验。结果表明:处理温度为100℃时,筋材静力性能与常温试件相比未发生明显变化。筋材经历200℃和300℃温升作用后,其抗拉强度、弹性模量和极限拉应变较常温试件分别下降了(6.4%、8.2%、3.8%)和(16.6%、18.3%、8.3%)。基于试验结果,建立了适于分析高温后CFRP筋轴向拉伸性能的实用计算公式。(4)为研究高温后CFRP筋粘结型锚固系统的力学性能,以试件的处理温度(25℃、100℃、200℃和300℃)和粘结长度(5d、10d和15d)为试验参数,完成36个试件的锚固性能试验。结果表明:所有试件的荷载-滑移曲线都可分为线性段、非线性上升段、下降段和残余段;试件的粘结强度随着处理温度和粘结长度的增加而降低;粘结长度一定时,处理温度为200℃与300℃试件的粘结强度较常温试件分别下降(31.5%~36.3%)和(44.2%~47.4%)。建立了适于分析高温后CFRP筋临界锚固长度及其粘结型锚固系统粘结强度的计算公式且具有较高精度。
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