新型FRP管-海水海砂混凝土拱桥的力学性能研究

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随着我国“一带一路”重大战略的实施,海洋基础设施建设的迫切需求日益凸显。目前海洋基础设施建设面临着两个问题:一是大部分岛礁缺少混凝土生产所需要的淡水和砂石骨料;二是海洋环境是一种复杂的腐蚀性环境。在海洋工程建设中,虽然可就地取材使用海水、海砂和珊瑚骨料配置混凝土以解决原材料问题,但是对于传统的钢筋混凝土结构,海水、海砂中的氯盐会加速钢筋锈蚀,影响使用寿命。因此,亟需研发适用于海洋服役环境的新型结构体系。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳性能好等优点,在国内外工程结构中得到了广泛研究。在FRP管内填充混凝土形成的FRP管混凝土结构(Concrete Filled FRP Tube,简称CFFT)相比于素混凝土结构,具有更高的强度和变形能力,同时FRP管可以保护核心混凝土免受恶劣环境侵蚀。针对上述研究背景,本文提出了一种新型玄武岩纤维(Basalt-FRP,简称BFRP)管增强海水海砂珊瑚骨料混凝土(Seawater Sea-sand Coral Concrete,简称SSCC)拱桥结构。基于创新工艺,研发了新型管壁预粘结BFRP纵筋的BFRP管。对新型SSCC填充BFRP管柱的轴心、偏心受压性能进行了测试分析,并在此基础上开展了新型SSCC填充BFRP管拱的力学性能研究。试验共测试了49个试件,包括10个BFRP管约束SSCC拱试件、3个无约束SSCC轴压短柱、18个BFRP管约束SSCC轴压短柱和18个BFRP管约束SSCC偏压短柱。试验变量包括:BFRP管壁厚、内壁是否预粘结有BFRP纵筋、偏心距以及拱的矢跨比等。试验结果表明:(1)轴压短柱试件:在BFRP管约束的基础上,BFRP筋的增强使得BFRP管约束试件的极限承载力进一步提升,BFRP筋对于比较厚的BFRP管约束试件极限承载力的提高作用更为明显。(2)偏压短柱试件:总体而言,偏心距对极限荷载Pu和极限轴向位移Δu的影响情况为:偏心距越大,Pu和Δu越小;增加BFRP管壁厚度以及预粘结BFRP筋可有效提高Pu和Δu。(3)拱试件:部分不带BFRP筋拱试件在试验过程中,跨中初次破坏后,受力形式由无铰拱向三铰拱发展,荷载在跨中初次破坏时下降,随后拱体受力形式发生变化,荷载继续上升;对于带BFRP筋拱试件而言,BFRP筋的增强作用对试验拱极限承载力有着显著提升,同时BFRP筋的存在改变了拱的受力形式;在不同形状的不带筋试件中,矢跨比越大,拱试件的极限承载力越低,BFRP筋对圆心角为150°试件的提升效果最为明显。在上述试验测试基础上,本文还基于ABAQUS有限元软件对试验结果进行了模拟分析。基于模拟和试验结果,本文提出了一种带纵向FRP筋的新型FRP管混凝土实腹式悬链线拱桥的设计方法,并开展了试设计工作,验证了该设计方法的有效性。
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