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項目名稱

基于壓電陶瓷的智能混雜復合FRP預應力筋的力學性能和損傷機理研究

項目研究的目的、意義；研究成果的主要內容、重要觀點或對策建議；成果的創新特色、實踐意義和社會影響；研究成果和研究方法的特色。限定在2000字以內。

2.1 項目研究的目的和意義

目前鋼筋混凝土已成為當代土木工程中用量最多的人造材料，這主要是由于混凝土與鋼筋具有良好的整體工作性能、鋼筋具有良好的彈塑性性能、以及鋼筋在混凝土的保護下具有更好的耐久性和耐火性等。但是在工程實踐中也出現了許多鋼筋在惡劣的復雜環境中易銹蝕的情況，從而導致承載能力下降，影響鋼筋混凝土結構的正常使用，并帶來巨大的安全隱患。美國1992年報道，因撒除冰鹽引起鋼筋腐蝕而限載通車的公路橋(其中大多數為預應力混凝土橋)就占1/4，其中已不能通車的占1%，僅這些橋的維修費就高達900億美元。英國建造在海洋環境中的預應力混凝土結構，因腐蝕需要重建或更換預應力筋的占三分之一以上。我國鋼筋的耐久性問題也十分嚴重，例如北京西直門立交橋使用才19年，因其混凝土嚴重剝蝕和鋼筋銹蝕，不得不于1999年重建，我國將投入大量資金用于混凝土結構的維修加固以及耐久混凝土結構的新建。

纖維增強復合材料FRP (Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋是由連續的玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維與聚酯、乙烯基或環氧等樹脂復合而成的一種高性能筋材。高級復合材料尤其是碳纖維增強復合材料CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋以其強度高(有的高于3000 MPa，約為高強預應力鋼筋的2倍) 、重量輕(約為鋼材的1/5)、免銹蝕和抗疲勞性能好等優異性能極有希望成為處于惡劣自然環境下橋梁結構中傳統普通鋼筋、高強鋼絲和鋼絞線的潛在替代品。在非預應力FRP筋混凝土結構中，由于FRP筋的彈性模量相對較低，結構的變形較大，從而FRP筋的高強度一般得不到有效的發揮。為了充分發揮FRP筋輕質高強、耐腐蝕和抗疲勞性能好的特點，可以將FRP筋作為預應力筋用在各類結構中，并已進行了大量的相關研究，且取得了一定的研究成果。但是，FRP筋是一種橫觀各向同性材料，具有抗剪強度較低以及延性較差等特點，最終導致FRP 筋在土木工程的預應力混凝土結構中應用受到限制。對此，提出一種智能混雜復合FRP預應力筋，該預應力筋以FRP預應力筋為芯材，外側纏繞包裹著鋼絲網和纖維布帶，且在其內埋入壓電陶瓷PZT智能材料，并通過環氧樹脂膠復合成一體，使該筋材不但具有較高的延性性能和抗剪性能，而且具有智能監測特性。

為了使FRP預應力筋能夠在土木工程中得到廣泛應用和推廣，研究該新型智能混雜復合FRP預應力筋的力學性能和損傷機理具有重要意義。

2.2項目研究的主成果及建議

纖維增強復合材料FRP (Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋是由連續的玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維與聚酯、乙烯基或環氧等樹脂復合而成的一種高性能筋材。高級復合材料尤其是碳纖維增強復合材料CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋以其強度高(有的高于3000 MPa，約為高強預應力鋼筋的2倍) 、重量輕(約為鋼材的1/5)、免銹蝕和抗疲勞性能好等優異性能極有希望成為處于惡劣自然環境下橋梁結構中傳統普通鋼筋、高強鋼絲和鋼絞線的潛在替代品。在非預應力FRP筋混凝土結構中，由于FRP筋的彈性模量相對較低，結構的變形較大，從而FRP筋的高強度一般得不到有效的發揮。為了充分發揮FRP筋輕質高強、耐腐蝕和抗疲勞性能好的特點，可以將FRP筋作為預應力筋用在各類結構中。但是，用FRP 筋施加預應力增強混凝土結構，可以提高其使用階段的極限承載力，但延性性能卻大大降低了，這對工程抗震來說是非常不利的。又由于FRP 沒有明顯的塑性流動階段，FRP 結構的破壞往往表現出脆性性質，這對于結構的安全使用也是不利的。這就導致FRP 筋在土木工程的預應力混凝土結構中應用受到限制。為了拓展FRP筋的應用范圍，提出一種智能混雜復合FRP預應力筋。項目研究成果主要如下：

（1）提出一種智能混雜復合FRP預應力筋，該預應力筋以FRP預應力筋為芯材，外側纏繞包裹著鋼絲網和纖維布帶，且在其內埋入壓電陶瓷PZT智能材料，并通過環氧樹脂膠復合成一體，使該筋材不但具有較高的延性性能和抗剪性能，而且具有智能監測特性。（該成果已獲得一項發明專利）

（2）試驗研究了智能混雜復合FRP預應力筋的智能監測特性，結果表明基于智能骨料和壓電陶瓷的小波包能量法能夠較好地監測智能混雜復合FRP預應力筋與混凝土粘結滑移，為研究智能混雜復合FRP預應力筋與混凝土粘結滑移機理提供實時可靠的試驗數據。該研究成果同時進一步拓展了智能骨料和壓電陶瓷在土木工程的應用范圍，為大型土木工程的健康監測提供了一種可靠的方法。（該研究成果已形成一篇）

研究成果和研究方法的特色

特色一：以湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目為平臺，以培養學生的工程實踐能力為主線，強化實驗項目的綜合性、設計性以及創興性；

特色二：緊密結合科學研究和科技服務，拓展實驗教學資源，開發創新性特色實驗項目，有效地提高了大學生工程實踐能力和創新能力。

實踐意義和社會影響

1）調動廣大大學生參與綜合設計開發性實驗的興趣和積極性，培養大學生工程實際能力強，能夠掌握先進計算理論和實驗設備的優秀人才；

2）通過對外開放，能夠對相鄰學校起到一定的示范作用。

預定計劃執行情況，項目研究和實踐情況，研究工作中取得的主要成績和收獲，研究工作有哪些不足，有哪些問題尚需深入研究，研究工作中的困難、問題和建議。（字數不限，可加頁面）

項目按照申請書的計劃內容已經完成，取得了很好研究成果，已獲批了1項國家發明專利，有1篇學術論文正在修改準備投到CSCD級別的刊物，研究中仍存在以下不足之處：

    (1) 智能骨料相對混凝土試件較大，且需要引出導線進行監測，即監測傳感器尺寸以及導線對其監測界面的性能存在一定的影響，需對其進行改進；

(2) 該智能混雜復合FRP預應力筋制作工藝相對較為復雜，且是在現有的成品FRP筋材料進行加工，應進行進一步改進其制作步驟，在FRP筋制品過程中就將智能監測材料埋置，使其得以正在的產品化。

根據上述研究中存在的問題，尚需進一步研究的建議如下：

1） 根據已有的FRP筋錨具開發適合智能混雜復合FRP預應力筋的錨具；

2） 更深層的研究開發尺寸較小，帶自供電能，適用范圍更大的智能骨料；

3） 進一步改進智能混雜復合FRP預應力筋制作工藝，使其產品化成為可能。

經費合計 1萬  元，其中，學校配套資助  1萬    元，學院（所）配套資助   0  元，其他經費     0     元。

CFRP拉索筋材1800元；壓電陶瓷片以及智能骨料4450元；智能混雜FRP筋以及粘結拉拔試件加工制作費6050元；論文版面費3200元；專利申請費4500元。共計2萬元整。

項目指導教師對結題的意見，包括對項目研究工作和研究成果的評價等。

項目組成員已完成了該項目的研究工作，其研究成果具有創新性，達到預期目標，同意結題。

負責人簽章：

  年    月    日

學校對項目研究的任務、目標、方法和研究成果水平等進行評價，是否結題。

年    月    日