海洋環(huán)境下TRC加固鋼筋混凝土柱抗震性能退化機(jī)理研究

海洋工程中氯離子侵蝕會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕、保護(hù)層開裂以及剝落等一系列耐久性問題，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)的抗震性能退化。纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土（Textile Reinforced Concrete，簡稱TRC）作為一種新型水泥基復(fù)合材料，具有耐腐蝕、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注并進(jìn)行了一系列的研究。本項(xiàng)目之前關(guān)于侵蝕環(huán)境下TRC加固RC柱抗震性能的相關(guān)研究較少，因此有必要進(jìn)一步深入研究氯鹽侵蝕環(huán)境對TRC加固RC柱抗震性能的影響。 項(xiàng)目研究了銹蝕環(huán)境下不同因素對TRC約束混凝土與鋼筋粘結(jié)性能的影響，分析了破壞模式與影響機(jī)理，從損傷和能量的角度對粘結(jié)性能作了進(jìn)一步闡釋，提出了TRC約束混凝土與鋼筋的粘結(jié)-滑移模型。結(jié)果表明，TRC約束后鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能顯著提升，氯鹽干濕對銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的二次劣化作用減弱。 在TRC約束鋼筋-混凝土界面粘結(jié)性能研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了氯鹽干濕循環(huán)環(huán)境下TRC加固RC柱的抗震性能。為了更好發(fā)揮TRC的約束作用，首先通過試驗(yàn)得到加固過程中纖維編織網(wǎng)的最優(yōu)層數(shù)、搭接長度以及PVA纖維的體積摻量。基于以上加固參數(shù)，進(jìn)而研究了TRC加固柱在鋼筋銹蝕、軸壓比、剪跨比、配箍率、環(huán)境和偏心荷載耦合以及二次劣化等因素下的抗震性能。結(jié)果表明，較少的干濕循環(huán)次數(shù)（少于270次）對加固柱的抗震性能無明顯影響，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，加固柱的抗震性能退化，隨后又有一定程度提高；具有小軸壓比、大剪跨比和大配箍率的加固柱在侵蝕環(huán)境下具有更好的延性、變形能力和耗能能力；小偏心荷載下，一定比例的持載應(yīng)力比（不大于0.4）能夠提高加固柱在氯鹽侵蝕環(huán)境下的抗震能力；TRC能夠更好地改善小剪跨比試件的破壞模式和變形能力，顯著提高銹蝕柱的抗震性能。 最后，基于TRC加固柱抗震性能試驗(yàn)建立了TRC加固RC柱的恢復(fù)力模型。結(jié)果表明，提出的模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。 以上研究成果對于完善TRC加固理論，推動(dòng)TRC在工程中的應(yīng)用，確保工程結(jié)構(gòu)的安全使用具有一定的理論意義和技術(shù)指導(dǎo)價(jià)值。 2100433B

海洋基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性對海洋資源的開發(fā)有著重要影響。由于海洋環(huán)境的嚴(yán)酷性，海工混凝土結(jié)構(gòu)常在服役10-20年后存在較嚴(yán)重的劣化現(xiàn)象，如何對其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)以延長其使用壽命成為各國學(xué)者研究的焦點(diǎn)。纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土(TRC)因其優(yōu)越的力學(xué)和耐久性能而特別適用于惡劣環(huán)境下結(jié)構(gòu)物的修復(fù)加固。為此，本項(xiàng)目以長期經(jīng)受高濃度腐蝕離子的侵蝕、波浪引起的往復(fù)荷載、干濕交替等因素作用而導(dǎo)致?lián)p傷劣化嚴(yán)重的鋼筋混凝土(RC)柱為實(shí)體，開展TRC加固RC柱抗震性能退化的研究，項(xiàng)目擬采用實(shí)驗(yàn)室模擬的方法研究鹽水干濕循環(huán)作用下TRC 約束對鋼筋與混凝土界面性能退化機(jī)制的影響并建立二者界面粘結(jié)－滑移模型；在此基礎(chǔ)上將揭示此類環(huán)境下TRC加固RC柱抗震性能損傷演變規(guī)律及破壞機(jī)理，建立考慮材料損傷后TRC 加固RC柱的恢復(fù)力模型。項(xiàng)目的研究成果可為TRC用于海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)和抗震能力的提高提供必要的研究背景和理論基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目立足于多種結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化組合與新型結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新，對PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的抗震性能進(jìn)行研究。采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，深入研究PVC-FRP管鋼筋混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能與破壞機(jī)理，系統(tǒng)分析FRP種類、FRP條帶方向與環(huán)箍間距、配筋率與配箍率、軸壓比、剪跨比、混凝土強(qiáng)度等因素對構(gòu)件承載力、變形、滯回耗能以及抗震性能的影響，提出PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的抗彎承載力、抗剪承載力、延性系數(shù)和軸壓比限值的計(jì)算方法，建立PVC-FRP管鋼筋混凝土柱的恢復(fù)力模型；開展PVC與FRP粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究，揭示PVC與FRP的粘結(jié)破壞規(guī)律，提出PVC 與FRP有效粘結(jié)長度和極限粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算方法。本項(xiàng)目研究將為大型橋梁與城市高架橋橋墩等提供新的結(jié)構(gòu)體系，對提高大型土木工程結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性具有重要的實(shí)際意義，同時(shí)對結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的發(fā)展也有非常重要的科學(xué)意義。

古建筑木結(jié)構(gòu)由于年代久遠(yuǎn)，普遍存在材性劣變、結(jié)構(gòu)損傷、抗震性能大幅下降等問題。借助應(yīng)力波儀、針阻儀等現(xiàn)代設(shè)備對古建木構(gòu)損傷進(jìn)行檢測；人工模擬干濕交替變化、日光曝曬、菌蟲腐變等環(huán)境影響因子對木材的影響，研制了帶有不同類型、不同程度的損傷試件；對試件進(jìn)行材性、抗震性能試驗(yàn)與理論分析研究，取得了預(yù)期研究成果。 （1）分別對帶有不同孔洞、裂縫損傷的試件進(jìn)行微鉆試驗(yàn)，得到相應(yīng)損傷對應(yīng)的微鉆阻力圖譜，對杉木清材試件進(jìn)行試驗(yàn)，擬合出可用于檢測古建筑木材密度、彈性模量、強(qiáng)度與微鉆阻力的關(guān)系式。 （2）對損傷試件進(jìn)行材性試驗(yàn)，結(jié)合超微觀察、傅立葉紅外光譜分析、XRD衍射分析的試驗(yàn)結(jié)果，定義木材損傷度等級，分析不同類型、不同程度損傷對木材力學(xué)性能變化，建立了杉木材性退化本構(gòu)關(guān)系模型。 （3）對損傷古木節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜載、低周往復(fù)加載試驗(yàn)，得到不同程度損傷木節(jié)點(diǎn)連接各部位的受力傳力特征、M-θ滯回曲線、節(jié)點(diǎn)工作機(jī)制與耗能機(jī)理，擬合出損傷對木節(jié)點(diǎn)剛度退化、節(jié)點(diǎn)耗能的影響。 （4）對損傷木梁、木柱進(jìn)行靜載、低周往復(fù)加載試驗(yàn)，得到不同損傷程度下木構(gòu)件的F-Δ滯回曲線、以及損傷木構(gòu)件的破壞形態(tài)。進(jìn)一步分析得到了木構(gòu)件的骨架曲線、剛度退化曲線、等效黏滯阻尼曲線，擬合出損傷木對構(gòu)件抗震性能的影響。 （5）對損傷木構(gòu)架進(jìn)行動(dòng)力特性、低周往復(fù)加載試驗(yàn)，得到如何利用脈動(dòng)法確定木構(gòu)架損傷位置的方法、F-Δ滯回曲線、以及損傷木構(gòu)架的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、局部構(gòu)件破壞形態(tài)，進(jìn)一步分析了木構(gòu)架的骨架曲線、剛度退化曲線、等效黏滯阻尼曲線，擬合出損傷構(gòu)件對木構(gòu)架抗震性能的影響。 （6）結(jié)合典型古木構(gòu)建筑，對古木建筑抗震性能提升與修復(fù)保護(hù)方法進(jìn)行了拓展研究，對古木建筑的損傷節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的局部更新、加固修復(fù)、整體復(fù)位糾偏，及其對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，進(jìn)行了理論研究。 課題研究成果可為保護(hù)損傷古建木構(gòu)文化遺產(chǎn)、改善其抗震防災(zāi)性能，提供理論支撐。 2100433B

現(xiàn)存古建木構(gòu)普遍存在碳化、裂縫、蛀蝕、壓潰、斷裂等損傷問題，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性能下降，是古建木構(gòu)抗震性能評價(jià)與維護(hù)研究的難點(diǎn)。本項(xiàng)目基于古木材與構(gòu)件損傷和變形特征的調(diào)研和評估，通過模擬復(fù)雜交變環(huán)境與負(fù)載工況，研制損傷試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；以材料試?yàn)為基礎(chǔ)，研究古木材性特征與受載變化模型；對非受損和不同種類損傷狀態(tài)下的柱子、梁枋、榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，分析節(jié)點(diǎn)在地震作用下的承載特性和傳載機(jī)制、木構(gòu)件的剛度和承載力指標(biāo)；對比分析非受損和損傷節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件的基本力學(xué)性能和退化程度，分別給出強(qiáng)度、承載力、剛度與損傷參數(shù)的變化關(guān)系；建立木構(gòu)架有限元模型，研究殘損古建木構(gòu)在地震作用下的極限變形、承載力與破壞模式，給出地震作用下的位移/轉(zhuǎn)角與應(yīng)力/承載力相關(guān)性曲線；分析各類節(jié)點(diǎn)與構(gòu)架的變形、破壞及其分布、時(shí)序等，建立古建木構(gòu)損傷模型。項(xiàng)目預(yù)期成果可為保護(hù)損傷古建木構(gòu)文化遺產(chǎn)、改善其抗震性能，提供理論支撐、技術(shù)參數(shù)與途徑。