考虑锈胀作用与剪切模式的钢筋混凝土梁FRP抗剪加固机理及模拟

The deterioration of structural performance caused by steel bar corrosion has become a great threat to the safety of reinforced concrete (RC) structures and the development of the economy. Strengthening of deteriorated RC structures using externally bonded (EB) FRP systems is an economical and efficient method for improving the safety and reliability of the structures. However, it brings new problems: steel corrosion and concrete deterioration have great effects on the bond stress transfer properties among the concrete, reinforcement and FRP. This proposed project will thus carry out an experimental study and numerical simulation on the shear performance of corroded RC beams strengthened with EB FRP, focusing on the coupling effects of steel corrosion and the three major shear failure modes, i.e., the failures with diagonal compression, shear compression and diagonal tension. The proposal will reveal the effect of corrosion-induced concrete cover cracking on the FRP bond stress transfer properties, and illustrate the collaborative working principles among the FRP, concrete and reinforced in the state of steel corrosion. A finite element model will be established to analyze the shear enhance mechanism of the corroded RC beam strengthened with EB FRP and finally to develop the shear strength model. The expected achievements of this project can have a great contribution to the promotion and development of the design theory of RC structures shear-strengthened with EB-FRP and can provide a technical support to the shear strengthening of deteriorated RC structures with EB FRP.

钢筋锈蚀引发的混凝土结构性能退化已经成为严重威胁到混凝土结构安全和社会经济发展的严峻问题。外贴FRP增强劣化混凝土结构性能是提升其服役安全可靠性的经济有效的方法，但同时带来了新的科学问题：钢筋锈蚀及其引发的混凝土劣化改变了FRP粘结应力传递机理以及FRP-混凝土-钢筋协同工作机制。本申请项目拟开展锈蚀钢筋混凝土梁的FRP抗剪加固机理理论研究。考虑不同剪切模式（斜压、剪压和斜拉破坏）和钢筋锈蚀水平，系统地分析FRP抗剪加固锈蚀钢筋混凝土梁的增强机理。揭示因钢筋锈胀导致混凝土保护层开裂对外贴FRP应力传递体系的影响机制；阐明钢筋锈蚀状态下FRP-混凝土-钢筋协同工作的机制；建立相应的有限元模型；构建考虑剪跨比与钢筋锈蚀率等因素影响的FRP抗剪强度计算模型和设计方法。预期研究成果将拓展和提升FRP抗剪加固理论，为劣化混凝土结构加固工程的设计和施工提供技术支持，充分体现土木工程可持续性发展理念。

针对目前FRP外贴抗剪加固锈蚀箍筋混凝土构件研究现状存在的不足之处，本项目主要以FRP外贴抗剪加固锈蚀箍筋混凝土梁作为研究对象，采用试验研究和数值模拟以及理论分析相结合的方法，以剪跨比为主导、考虑锈蚀率等因素开展FRP加固锈蚀箍筋混凝土梁的抗剪机理及如何采取保护措施对锈蚀箍筋的混凝土梁进行修复和性能改善与加强等方面的研究。.通过18根经过人工通电劣化的RC梁，从断裂力学理论的角度探讨了不同剪跨比影响下的斜裂缝倾角、宽度及FRP抗剪条带的有效应变，探明了剪跨比和箍筋锈蚀两者的耦合作用对外贴FRP抗剪加固钢筋混凝土梁的影响机理和规律，建立了引入剪跨比和箍筋锈蚀率的FRP抗剪贡献的计算模型；对76个外贴FRP混凝土试件进行了单剪实验，得到了在不同钢筋直径和不同锈蚀率下，锈蚀劣化混凝土对FRP粘结应力传递体系的影响规律；使用拉压杆模型和简化修正压力场理论对收集的160组不同剪跨比的有腹筋RC梁进行抗剪强度计算和分析，找出了简化修正压力场理论的合理的剪跨比适用范围，并建立了适用于外贴FRP加固梁的简化修正压力场理论；为研究剪跨比和箍筋锈蚀两者耦合作用下对外贴FRP抗剪加固钢筋混凝土梁的影响机理和规律，使用ATENA 2D对前期FRP加固的锈蚀钢筋混凝土梁进行了有限元建模，验证了箍筋锈蚀和剪跨比均会影响RC梁的抗剪承载力这一结论，箍筋锈蚀会影响箍筋-混凝土之间的粘结性能，外贴U型FRP加固对梁的抗剪承载力有提升的作用；课题组通过在硫铝酸盐水泥中掺加超高分子量的聚乙烯纤维，研制出了一种早强高韧性的硫铝酸盐水泥基材料，提出了一种新型加固结构体系，FRP增强SAC-ECC复合层，确定了在 FRP-ECC复合加固体系中能保证与FRP有效协同工作的ECC基体材料的最优配合比，对FRP-ECC复合层抗弯加固钢筋混凝土梁的极限承载力建立了计算模型。.本项目的研究成果不仅可以拓展和提升FRP抗剪加固理论，对推动FRP在结构加固领域乃至整个土木工程界的广泛应用奠定坚实的理论基础。相关成果亦可以直接应用于指导FRP加固的设计和施工，提升了FRP抗剪加固技术的工程实际应用价值，具有重要的社会影响和经济价值。