【摘 要】
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纤维复合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）具有轻质、高强、耐腐蚀等优异性能,因此逐渐替代钢材被广泛应用于土木工程领域之中,FRP筋更是因其各项性能的可替代钢筋性成为了热门研究对象。FRP筋主要作为新建结构增强筋或者嵌入式加固筋用于混凝土构件中。但树脂基体作为合成FRP筋的重要材料,对高温十分敏感,常用的树脂基体玻璃化转变温度较低,使得FRP筋高温中力学性能大大下降,制
【基金项目】
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国家重点研发计划（2017YFC0703000）; 国家自然科学基金面上项目（52078127）
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纤维复合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）具有轻质、高强、耐腐蚀等优异性能,因此逐渐替代钢材被广泛应用于土木工程领域之中,FRP筋更是因其各项性能的可替代钢筋性成为了热门研究对象。FRP筋主要作为新建结构增强筋或者嵌入式加固筋用于混凝土构件中。但树脂基体作为合成FRP筋的重要材料,对高温十分敏感,常用的树脂基体玻璃化转变温度较低,使得FRP筋高温中力学性能大大下降,制约了FRP筋在土木工程中的应用推广。为了从根本上解决FRP筋高温中力学性能差的问题,本文用新型耐高温酚醛树脂制备复材筋,并且为了使酚醛树脂基FRP筋的耐高温性能得到充分发挥,测试了碱激发胶凝材料、氧化铝水泥胶凝材料、ECC型胶凝材料、在上述胶凝材料中分别加入二氧化硅气凝胶制成的胶凝材料、以及灌浆料几种无机填槽材料的耐高温性能以及隔热性能,并将其应用到FRP筋嵌入式加固混合配筋混凝土单向板中,通过试验分析,对酚醛树脂基FRP（Phenol-Formaldehyde Resin FRP,PF-FRP）筋嵌入式加固混合配筋混凝土单向板抗火性能进行研究。FRP筋加固或增强混凝土结构的耐高温力学提升是解决FRP筋在土木工程结构中应用瓶颈问题的关键。本文主要工作如下:1.开展不同高温工况中新型酚醛树脂基BFRP筋的抗拉强度试验研究,并与乙烯基树脂BFRP筋以及酚醛树脂基GFRP筋高温中的拉伸性能进行对比。试验结果证明酚醛树脂与玄武岩纤维能够很好的协同工作,并且酚醛树脂基BFRP筋在高温中的力学性能最为优越。2.开展氧化铝水泥胶凝材料、碱激发胶凝材料、ECC型胶凝材料、以及分别加入二氧化硅气凝胶的无机胶凝材料六种耐高温无机胶凝材料的抗压强度试验研究,通过对比抗压强度和受压破坏形态,总结试验中用到的胶凝材料的受力特点,为后续的研究提供依据。3.模拟FRP筋嵌入式加固混凝土的工况、以PF-BFRP筋上覆厚度为25mm的胶凝材料为标准制作构件,开展上述六种耐高温无机胶凝材料包覆的PF-BFRP筋试件高温中力学性能研究,并与普通砂浆制成的试件、上覆胶凝材料厚度为5mm的试件以及V-BFRP筋制成的试件进行对比。试验结果证明,FRP筋上覆耐高温胶凝材料能极大减缓FRP筋高温中力学性能的退化,氧化铝水泥胶凝材料的隔热效果最好,胶凝材料中加入气凝胶可以显著提高隔热效果,增加上覆胶凝材料的厚度可以延缓FRP筋高温中力学性能的下降。4.开展常温下PF-BFRP筋嵌入式加固混合配筋混凝土单向板抗弯试验研究,并与常用V-BFRP筋加固混合配筋混凝土单向板进行对比,其中一块板上不同加固筋非锚固区分别用碱激发胶凝材料、氧化铝水泥胶凝材料、灌浆料、ECC型胶凝材料以及加入二氧化硅气凝胶的碱激发胶凝材料进行嵌槽加固。两块单向板的常温受弯试验结果表明,FRP嵌入式加固混合配筋混凝土板刚度小、延性大,FRP嵌入式加固混合配筋板受弯过程呈三阶段分布。PF-BFRP筋与V-BFRP嵌入式加固混合配筋板的各项力学性能差别不大,PF-BFRP筋可以替代常用的V-BFRP筋作为新建增强筋或加固筋用于构件受力中。几种胶凝材料可以作为嵌入式加固筋非锚固区粘结剂、与锚固区植筋胶配合,与FRP加固筋以及单向板协调工作。5.开展PF-BFRP筋嵌入式加固混合配筋混凝土单向板抗火试验研究,并和常用的V-BFRP筋嵌入式加固混合配筋混凝土板进行对比。单向板的火灾试验结果发现FRP筋嵌入式加固混合配筋板在火灾中底层加固筋受温高于上层增强筋。使用PF-BFRP筋加固及增强的板在火灾下的力学性能损失更少。25mm厚的耐高温胶凝材料能使板内BFRP筋保持相对较低的温度场,从而提高火灾中板构件持续持力的可能性。使用氧化铝胶凝材料作为嵌槽材料加固混凝土单向板可以降低热传导速率,使用ECC型胶凝材料作为嵌槽材料加固混凝土单向板可以提高FRP筋的残余强度,使用含气凝胶的胶凝材料或者灌浆料作为嵌槽材料能从上述两个方面提高板的耐高温性能。6.基于ABAQUS软件进行有限元分析研究,考虑各种材料热工性能,对试验板进行火灾温度场模拟,并将计算结果与试验结果进行对比,发现有限元模拟结果与试验结果较为吻合。
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