[01125842]高性能纤维复材增强混凝土结构基础理论与工程应用

本项目“高性能纤维复材增强混凝土结构基础理论与工程应用”属于建筑业中土木工程技术应用领域。作为一种新型结构体系,是解决建筑桥梁结构耐久性问题和发展可持续性建筑的有效途径,广东省海岸线较长且河道众多,海洋及湿热环境下的钢筋混凝土结构存在较高的钢筋锈蚀风险,严重降低了工程结构使用寿命,将严重影响绿色低碳的城镇化建设。为了在传统的混凝土结构中合理应用高性能纤维复合材料,建立新型高性能工程结构,本项目研究团队从工程结构耐久性高效提升出发,以纤维复合材料（简称FRP）合理化利用为目的,用FRP筋代替钢筋,建立高性能FRP筋混凝土桥梁构件,开发FRP混凝土装配式构件和FRP高韧性混凝土构件,研究成果有利于研发高性能高耐久性建筑材料及结构体系,具有重要的科学意义和重大的市场价值。 “高性能纤维复材增强混凝土结构基础理论与工程应用” 是课题组承担的国家自然科学基金项目“结合压缩薄膜效应对 GFRP 筋混凝土桥梁面板结构的工作性能研究（50908055）”、“正常使用状态下 GFRP 筋混凝土梁长期受弯性能分析方法及时随机理研究（51308117）”、广东省自然科学基金项目“对结合压缩薄膜效应设计的 GFRP 筋混凝土桥梁面板交通荷载作用下工作性能的研究（10451170003004151）”、 广东省交通厅科技计划“基于FRP的整体桥梁结构工作性能分析（2011-02-040）”、东莞市科技计划“对非金属筋材桥梁结构工作性能的研究（2008108101024）”等课题综合。 本项目研究成果多次发表于国际顶级期刊,处于国际先进水平,得到国内外同行的认可,多次邀请特邀报告,成果的引用次数过百次。其创造性和先进性主要体现如下方面： （1）国际上首次提出基于压缩薄膜效应理论的FRP筋混凝土桥面板承载力计算方法,准确揭示侧向约束对桥面构件承载性能的贡献,有效解决现有复材筋增强桥面结构配筋率过高的问题,引入纤维复合筋刚度影响因子、粘结滑移系数、压缩薄膜效应等效为虚拟配筋率,准确评估桥面板内FRP筋应力水平。根据研究结果,综合考虑多项结构参数作用,提出FRP筋混凝土桥面板多项设计指标,确保经济性能、耐久性能与安全性能相统一。 （2）GFRP筋在长期工作应力作用下时随效应发展变化规律问题取得显著进展。跟踪记录GFRP筋材长期实际工作状态应变时随曲线、蠕变断裂的筋材应力水平及断裂时间,并考虑碱液浸泡、混凝土包裹等环境条件对筋材应力水平的影响。建立GFRP筋材长期蠕变等效计算模型及蠕变断裂应力-时间关系式,并对比验证现行规范中针对蠕变断裂效应的应力限值规定。 （3）创新研发各类采用FRP材料的桥梁结构及构件,充分利用了FRP材料的性能优点,同时克服其劣势,构建出多种新型高效、性能优越的结构体系及构件：a. 开发出基于FRP的新型圬工拱桥预制构件,新型预制拱桥在保持原有圬工拱桥优点的基础上应用了FRP材料和预制混凝土技术,提高了结构的耐久性并解决传统圬工拱桥施工困难大的缺点;b. 基于对桥面板压缩薄膜效应的研究成果,开发出一种面板本体内免配筋的基于FRP的新型桥面结构,结构维修无需对混凝土面板本体进行破坏同时也不会影响桥面的交通运输,FRP外保管和筋材体外设置的施工技术的考虑将能有效提高施工效率,缩短施工时间。 （4）将高耐腐蚀的GFRP筋与高韧性高耗能的ECC混凝土结合,开发高柔韧化和高耐久性的新型桥面连接构件,提出一整套连接板设计方法和技术指标,为结构伸缩缝提供新的解决方案。有效解决现有钢筋ECC桥面连接板刚度大及耐久性的问题,更有助于改善目前桥梁伸缩缝易损伤易老化及其导致结构功能退化的工程顽疾。 （5）基于声发射技术和压电陶瓷传感器主动传感技术对FRP筋与纤维自密实混凝土粘结滑移性能研究,解决了FRP筋-混凝土组合界面损伤监测的问题,研发了自感知FRP筋用于增强混凝土构件的界面损伤监测。研发智能骨料传感器监测FRP筋增强混凝土弯曲构件刚度退化及裂缝发展情况,有效评估裂缝出现的荷载及锁定裂缝的位置。提出刚度指数定量评估结构刚度,建立应力波在开裂混凝土中的传播模型预测结构裂缝总宽度。解决FRP筋增强混凝土受弯构件正常使用极限状态下的主要控制指标（挠度及裂缝宽度）难以监测问题。 本项目研究成果成功应用到省内外多个复合材料生产企业、预制构件生产企业和路桥企业实际产品生产及工程应用中,如：欧洲首座FRP筋混凝土桥面工程、国内多个路桥及房建工程、超长建筑伸缩缝、新型预制构件中,极大促进了行业技术的发展和进步。同时,本项目应用FRP材料解决桥梁和建筑中钢筋易锈蚀的问题,具有巨大的经济效益和社会效益。