《高耐久性FRP-钢复合管混凝土抗震桥墩的应用研究》

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任务来源《高耐久性FRP-钢复合管混凝土抗震桥墩的应用研究》以南京绕越高速公路东北段工程建设为依托,开展纤维增强塑料(FRP)-钢复合管混凝土抗震桥墩的研究.该课题作为《南京绕越高速公路东北段科技示范路实施研究》(该项目列入2010年江苏省交通运输厅科技成果推广计划项目,项目编号:2010T01)的子课题之一,2010年列入南京市交通科技项目计划(宁交安[2010]35号),由南京市公路建设处联合南京林业大学共同承担项目的研发,至2011年12月完成.应用领域和技术原理FRP-钢复合管混凝土抗震桥墩主要应用于特殊条件下的桥墩结构.FRP-钢复合管混凝土是在钢管混凝土的外壁缠绕纤维增强复合材料,这样起到了对混凝土的双重约束作用,增强了混凝土的抗压性能,使得钢管混凝土的强度大大提高,FRP-钢复合管混凝土结构具备FRP管混凝土和钢管混凝土两种结构的优点,同时,一定程度地解决FRP管混凝土和钢管混凝土的缺陷与不足,将FRP缠绕粘贴于钢管外表面,可以替代一部分钢管,减小钢管的厚度,降低用钢量,降低厚钢管的加工难度,并为钢管提供耐久性保护,FRP管混凝土和钢管混凝土具有承载力高、延性好及耐久性好等特点.主要研究内容及成果(1)FRP-钢复合管混凝土结构的概念、优化设计研究研究提出了FRP-钢复合管混凝土抗震桥墩的两种结构形式,即全FRP-钢复合管混凝土抗震桥墩的结构形式,部分FRP-钢复合管混凝土抗震桥墩的结构形式.研究提出针对不同性能目标的FRP-钢复合管,FRP的纤维方向可以沿着钢管纵向或横向,FRP在横向的复合,主要提供增强的约束力,FRP在纵向的复合,提高其抗弯承载力,设计应根据不同的性能目标进行优化.(2)FRP-钢复合管混凝土应力-应变关系及基本力学性能研究研究了不同纤维类型、不同纤维数量及不同截面形状对纤维-钢复合管混凝土应力-应变关系及基本力学性能的影响.相同层数的纤维时,CFRP承载力提高明显优于BFRP,随着层数的增加,提高程度增加;方形FRP-钢复合管混凝土柱承受轴压荷载时,破坏多在倒角处,效果低于圆形截面;玄武岩纤维在复合管的应用上可以达到与碳纤维相同的效果,同样约束刚度情况下,玄武岩纤维与钢复合管混凝土试件表现出更好的延性.玄武岩纤维、碳纤维层间混杂纤维与钢复合管约束混凝土可实现可设计的强化刚度及延缓的破坏模式,可达到单一纤维所达不到的性能.结合相关试验数据,推导了圆FRP-钢复合管混凝土轴压构件的承载力公式,计算与试验吻合较好.(3)FRP-钢复合管混凝土结构抗震性能研究对FRP-钢复合管混凝土梁的抗弯滞回性能进行了研究,FRP-钢复合管混凝土梁的极限承载力较对比试件有较大的提高,在FRP断裂之后,FRP-钢复合管混凝土梁的残余承载力与极限承载力的比率可达90﹪.FRP-钢复合管混凝土受弯构件承受反复荷载作用时,荷载-跨中位移曲线分为4个阶段,弹性阶段、弹塑性阶段、强化阶段、残余阶段,而对于多种不同应变能力的FRP与钢复合管混凝土受弯构件的荷载-跨中位移曲线又增加了较为缓和的下降段;FRP能够为复合管试件产生钢管屈服后的强化阶段,提高其安全承载力储备;多种纤维与钢复合可减缓FRP-钢复合管混凝土受弯构件FRP断裂破坏,实现纤维分批逐次断裂,改变其破坏模式.FRP-钢复合管混凝土结构承受反复轴压荷载作用时,FRP-钢复合管混凝土结构的卸载刚度、残余应变相对于钢管混凝土结构有着明显的减小;在FRP断裂后,FRP-钢复合管混凝土结构的卸载刚度、残余应变与钢管混凝土结构基本相同.FRP的弹性作用,可有助于结构在加载后的变形或应变恢复,有助于提高结构的卸载刚度,减小结构的残余变形.FRP的存在使得FRP-钢复合管混凝土结构具备较好的抗震性能.(4)完成试点工程设计及施工工艺研究结合南京绕越高速公路东北段的工程建设,应用推导的FRP-钢复合管混凝土轴压构件的承载力公式,完成南京绕越高速公路东北段程桥枢纽B匝道桥14#墩及C匝道1#桥7#墩、19#墩,王云车行天桥2#墩的设计,计算结果表明推导的公式具有一定的适用性.研究提出了FRP-钢复合管混凝土结构的施工工艺,包括钢管加工→浇筑混凝土→钢管外壁打磨→粘贴纤维→涂刷纤维复合材料专用涂料.给出了各关键工艺的施工技术,尤其是钢管外壁打磨是保证FRP-钢复合管的可靠粘结技术措施.主要性能指标部分FRP-钢复合管混凝土桥墩的结构概念,大大的节省了工程造价.玄武岩纤维与钢复合管混凝土结构可实现更好的延性,不同纤维混杂FRP与钢复合管混凝土结构可实现可设计的强化刚度及延缓的破坏模式,FRP-钢复合管混凝土桥墩在反复受压荷载下的力学性能,较普通钢管混凝土结构可获得更大的卸载刚度、更小的残余应变,FRP-钢复合管混凝土桥墩与承台及桩基础的连接构造的确定使得其实际应用成为可能,施工工艺优化可实现质量可靠的、外形美观的、高耐久性的FRP-钢复合管混凝土桥墩结构.FRP-钢复合管混凝土就是组合型的一种,该结构是在钢管内填充混凝土,外部缠绕FRP材料而形成的组合结构,从而使钢管内的核心混凝土处于FRP和钢管的双重约束之下,以提高其轴向承载能力.FRP约束混凝土和钢管混凝土两者的有机结合,将纤维增强复合材料结合钢管使用,可以替代一部分钢管,减薄大直径钢管的壁厚,极大地减少钢管的用量;此外,利用FRP约束钢管混凝土,不仅可提高钢管混凝土的承载力,还可充分利用钢管混凝土结构和FRP约束混凝土结构的优势,并在一定程度上弥补了两者的不足,如FRP为钢管提供耐久性保护,降低钢管结构的使用维护费用.成果的创造性、先进性(1)提出了全FRP-钢复合管混凝土抗震桥墩和部分FRP-钢复合管混凝土抗震桥墩两种结构形式.(2)研究了不同纤维类型(BFRP、CFRP)及其混杂效果以及不同截面形状(圆形、矩形)对FRP-钢复合管混凝土结构受力的影响,包括玄武岩纤维(BFRP)与钢复合及玄武岩纤维与碳纤维混杂形成FRP-钢复合管混凝土结构的力学性能,提出了圆FRP-钢复合管混凝土结构轴压的承载力计算公式.(3)研究了FRP-钢复合管混凝土结构在反复轴压和反复弯曲荷载下的力学行为,分析了钢管屈服后的刚度、FRP断裂后的残余承载力、卸载刚度、残余位移(应变)及恢复能力.(4)对FRP-钢复合管混凝土结构在实际桥墩中进行了应用研究,提出了FRP-钢复合管混凝土结构的设计方法、施工工艺及关键工艺的施工技术,在国内外尚属首次.应用优势相对于传统的钢筋混凝土结构或钢管混凝土结构,FRP-钢复合管混凝土桥墩在承载能力、抗震性能、耐久性等方面具有一定的应用优势,可有效降低结构的维护和修复费用,对于截面受限、腐蚀环境、抗震要求高等一定条件下,FRP-钢复合管混凝土结构将显示出突出的优势.

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