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原文传递预应力碳纤维筋加固桥梁抗火性能研究

论文题名：	预应力碳纤维筋加固桥梁抗火性能研究
关键词：	桥梁工程;预应力;CFRP筋;抗火性能;防火材料;复合材料
摘要：	近年来，随着全球经济的迅速发展，交通设施建设不断开展，桥梁的数量日益增多，交通压力也逐渐增大，桥梁面临的火灾危险也逐渐加大，桥梁火灾事故屡有发生。这对桥梁结构的安全构成极大的威胁，严重的桥梁火灾事故会导致交通瘫痪、大量人员伤亡和桥梁结构的永久性破坏。　　碳纤维增强复合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP）具有轻质，高强，耐腐蚀，耐疲劳等优点，在工程结构加固领域应用前景良好。但CFRP材料耐火性能极差，在有氧情况下，当温度超过400℃时会发生明显的氧化，严重影响CFRP材料的力学性能。因此，若要将CFRP材料广泛应用于需要防火设计的桥梁和建筑结构加固中，需要对CFRP材料的耐火性能和防火设计进行研究。本文主要研究内容和研究成果如下：　　（1）研究CFRP筋的力学性能-温度关系模型是开展预应力CFRP筋加固桥梁防火设计的前提。分别对无防火材料保护的CFRP筋在常温下和高温下的力学性能进行试验研究。使用自主研发的夹片式锚具锚固CFRP筋材，测试其常温下的力学性能；利用万能伺服试验机及其配套加热炉测试持荷状态下的CFRP筋材在高温下的力学性能，建立了筋材抗拉强度-温度和弹性模量-温度关系模型。试验结果表明，CFRP筋的抗拉强度和弹性模量在250℃~400℃范围内随着温度升高而降低，且基本呈线性下降趋势，对持荷700MPa的CFRP筋在300℃高温作用2小时后，其抗拉强度降低了21.1%，弹性模量降低了18%，此时的CFRP筋抗拉强度可以保证其在冷却之后继续正常工作，故将300℃作为防火设计的安全临界温度。　　（2）使用高硅氧针刺毡以及陶瓷纤维毡作为防火材料保护CFRP筋，分别开展了不同厚度的高硅氧针刺毡以及陶瓷纤维毡保护CFRP筋的防火性能试验，并建立了防火材料厚度-CFRP筋安全临界耐火温度关系模型。试验结果表明，对于同种防火材料，防火性能随着防火层厚度的增加而提升；相同厚度的高硅针刺毡和陶瓷纤维毡保护CFRP筋时，高硅氧针刺毡的防火性能优于陶瓷纤维毡，24mm厚高硅氧针刺毡保护的CFRP筋安全临界耐火时长为38分钟（即当升温时间为38分钟时，CFRP筋表面的温度达到了安全临界温度300℃），24mm厚的陶瓷纤维毡保护的CFRP筋安全临界耐火时长为33.6分钟；根据试验结果建立了高硅氧针刺毡和陶瓷纤维毡的厚度-安全临界耐火时长关系模型，安全临界耐火时长随着防火材料厚度的增大近似呈线性上升趋势。试验结果给后续预应力CFRP筋加固桥梁防火设计数值模拟计算提供参照。　　（3）对高硅氧针刺毡以及陶瓷纤维毡的防火性能试验进行数值模拟计算，计算结果与试验结果较为吻合，从而建立了CFRP筋防火系统防护性能数值模拟计算方法，为后续预应力CFRP筋加固桥梁抗火性能数值模拟计算提供方法支持。　　（4）通过数值模拟计算获得了碳氢（HC）升温模式和ISO-834标准升温模式下，不同厚度高硅氧针刺毡和陶瓷纤维毡保护下的预应力CFRP筋表面温度分布情况，从而得到了不同火灾升温模式下CFRP筋的安全临界耐火时长。结果表明，高硅氧针刺毡的防火效果要优于陶瓷纤维毡，在ISO-834升温模式下，安全耐火时长2h所需的高硅氧针刺毡和陶瓷纤维毡的厚度分别是40mm和45mm，在HC升温模式下，安全耐火时长2h所需的高硅氧针刺毡和陶瓷纤维毡的厚度分别是45mm和50mm；HC升温模式比ISO-834升温模式前期的升温速率更快，对于CFRP筋防火材料的性能要求更高；建立了在ISO-834和HC升温模式下高硅氧针刺毡和陶瓷纤维毡的厚度-安全临界耐火时长模型，对于不同防火等级要求的构件所需的防火层厚度提供参考。研究结果为实际工程中CFRP筋加固桥梁的防火设计提供数据支撑。
作者：	储焙宇
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	诸葛萍
授予学位：	硕士
授予学位单位：	宁波大学
学位年度：	2020