获奖项目名称:纤维复合钢筋钢管混凝土结构关键技术及其工程应用

　　主要完成单位:南京林业大学、上海宝冶集团有限公司、江苏绿材谷新材料科技发展有限公司、东南大学、广西大学

　　主要完成人:魏洋、汪昕、朱素君、孙泽阳、张志杰、周济、赵状、魏星、申隶华、陈宗平

　　二、项目背景 

　　钢材是目前混凝土结构中广泛使用的增强材料，综合性能较好，但是容易腐蚀。纤维增强复合材料（FRP）因其强度高、耐久性好而被认为是替代钢筋的理想材料，近年来广泛应用于结构加固和海洋工程等特殊领域。但是由于弹脆性特征、弹性模量较低、价格过高等缺点，FRP尚无法大规模代替钢筋。通过将钢材与FRP进行复合而制成的纤维包覆钢复合材料可以实现性能各异的初始弹性模量和钢材屈服后的刚度。目前多种纤维包覆钢复合材料构型已被提出，包括钢材形态（钢筋、钢绞线、钢管等），纤维类型（玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维等）及不同材料比例，在优化设计的基础上，可以取得纤维包覆钢复合材料及其增强混凝土结构性能与成本的平衡点。 

　　三、研究内容 

　　　　本项目通过产学研协同，开展了腐蚀环境下混凝土结构力学与耐久性协同设计的研究工作，研究了纤维复合钢筋钢管混凝土结构技术体系。主要创新成果如下： 

　　1. 为了解纤维包覆钢复合钢筋钢管混凝土结构在不同构造参数下的力学性能，理解其多材料耦合机理与破坏行为，开展了构造参数设计、构件制作与多种加载路径下的性能试验研究，研究了影响其承载力、延性及损伤模式的主控因素。 　 

(a) 单调拉伸应力-应变关系曲线 

(b) 循环拉伸应力-应变关系曲线

图1 纤维包覆钢筋力学性能测试结果

　　　2.为建立能够反映纤维包覆钢筋钢管混凝土构件全过程力学响应的理论基础，增强其在工程设计与非线性分析中的适用性与计算效率，以试验数据为支撑，构建多尺度的本构关系模型与极限承载力预测理论，揭示协同工作行为中的本质机制与控制参数。 

(a) 破坏模式

(b) 荷载-应变关系曲线 

图2 纤维包覆钢管混凝土的力学性能研究

　　3.为满足实际工程对复合构件性能定向调控的需求，实现构造层级与设计层级之间的高效协同，基于结构性能指标提出参数优化策略，发展面向承载力、延性与耐久性的多目标设计方法，建立构件的构造-性能-设计映射关系。 

　　四、研究成果 

　　本项目针对钢-混凝土结构的钢材锈蚀难题，探索了多种新型纤维包覆钢筋钢管混凝土结构，研究了纤维包覆钢筋钢管混凝土结构设计方法，为我国工程建设和现役钢-混凝土结构的加固补强提供了技术支撑。该技术项目通过企业与高校的产学研合作，不仅提高了企业相关专业人员的技术水平，同时推动了土木领域产学研的健康发展。