項(xiàng)目名稱

基于壓電陶瓷的智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能和損傷機(jī)理研究

項(xiàng)目研究的目的、意義；研究成果的主要內(nèi)容、重要觀點(diǎn)或?qū)Σ呓ㄗh；成果的創(chuàng)新特色、實(shí)踐意義和社會(huì)影響；研究成果和研究方法的特色。限定在2000字以內(nèi)。

2.1 項(xiàng)目研究的目的和意義

目前鋼筋混凝土已成為當(dāng)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(hù)下具有更好的耐久性和耐火性等。但是在工程實(shí)踐中也出現(xiàn)了許多鋼筋在惡劣的復(fù)雜環(huán)境中易銹蝕的情況，從而導(dǎo)致承載能力下降，影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用，并帶來巨大的安全隱患。美國1992年報(bào)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(shù)為預(yù)應(yīng)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(fèi)就高達(dá)900億美元。英國建造在海洋環(huán)境中的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，因腐蝕需要重建或更換預(yù)應(yīng)力筋的占三分之一以上。我國鋼筋的耐久性問題也十分嚴(yán)重，例如北京西直門立交橋使用才19年，因其混凝土嚴(yán)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(jié)構(gòu)的維修加固以及耐久混凝土結(jié)構(gòu)的新建。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP (Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋是由連續(xù)的玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維與聚酯、乙烯基或環(huán)氧等樹脂復(fù)合而成的一種高性能筋材。高級(jí)復(fù)合材料尤其是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋以其強(qiáng)度高(有的高于3000 MPa，約為高強(qiáng)預(yù)應(yīng)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(yōu)異性能極有希望成為處于惡劣自然環(huán)境下橋梁結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)普通鋼筋、高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線的潛在替代品。在非預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于FRP筋的彈性模量相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)的變形較大，從而FRP筋的高強(qiáng)度一般得不到有效的發(fā)揮。為了充分發(fā)揮FRP筋輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕和抗疲勞性能好的特點(diǎn)，可以將FRP筋作為預(yù)應(yīng)力筋用在各類結(jié)構(gòu)中，并已進(jìn)行了大量的相關(guān)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(qiáng)度較低以及延性較差等特點(diǎn)，最終導(dǎo)致FRP 筋在土木工程的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用受到限制。對(duì)此，提出一種智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋，該預(yù)應(yīng)力筋以FRP預(yù)應(yīng)力筋為芯材，外側(cè)纏繞包裹著鋼絲網(wǎng)和纖維布帶，且在其內(nèi)埋入壓電陶瓷PZT智能材料，并通過環(huán)氧樹脂膠復(fù)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(jiān)測(cè)特性。

為了使FRP預(yù)應(yīng)力筋能夠在土木工程中得到廣泛應(yīng)用和推廣，研究該新型智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能和損傷機(jī)理具有重要意義。

2.2項(xiàng)目研究的主成果及建議

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP (Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋是由連續(xù)的玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維與聚酯、乙烯基或環(huán)氧等樹脂復(fù)合而成的一種高性能筋材。高級(jí)復(fù)合材料尤其是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋以其強(qiáng)度高(有的高于3000 MPa，約為高強(qiáng)預(yù)應(yīng)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(yōu)異性能極有希望成為處于惡劣自然環(huán)境下橋梁結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)普通鋼筋、高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線的潛在替代品。在非預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于FRP筋的彈性模量相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)的變形較大，從而FRP筋的高強(qiáng)度一般得不到有效的發(fā)揮。為了充分發(fā)揮FRP筋輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕和抗疲勞性能好的特點(diǎn)，可以將FRP筋作為預(yù)應(yīng)力筋用在各類結(jié)構(gòu)中。但是，用FRP 筋施加預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，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(duì)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(dòng)階段，FRP 結(jié)構(gòu)的破壞往往表現(xiàn)出脆性性質(zhì)，這對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全使用也是不利的。這就導(dǎo)致FRP 筋在土木工程的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用受到限制。為了拓展FRP筋的應(yīng)用范圍，提出一種智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋。項(xiàng)目研究成果主要如下：

（1）提出一種智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋，該預(yù)應(yīng)力筋以FRP預(yù)應(yīng)力筋為芯材，外側(cè)纏繞包裹著鋼絲網(wǎng)和纖維布帶，且在其內(nèi)埋入壓電陶瓷PZT智能材料，并通過環(huán)氧樹脂膠復(fù)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(jiān)測(cè)特性。（該成果已獲得一項(xiàng)發(fā)明專利）

（2）試驗(yàn)研究了智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋的智能監(jiān)測(cè)特性，結(jié)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(jiān)測(cè)智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋與混凝土粘結(jié)滑移，為研究智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋與混凝土粘結(jié)滑移機(jī)理提供實(shí)時(shí)可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該研究成果同時(shí)進(jìn)一步拓展了智能骨料和壓電陶瓷在土木工程的應(yīng)用范圍，為大型土木工程的健康監(jiān)測(cè)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(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目為平臺(tái)，以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力為主線，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的綜合性、設(shè)計(jì)性以及創(chuàng)興性；

特色二：緊密結(jié)合科學(xué)研究和科技服務(wù)，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，開發(fā)創(chuàng)新性特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有效地提高了大學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

實(shí)踐意義和社會(huì)影響

1）調(diào)動(dòng)廣大大學(xué)生參與綜合設(shè)計(jì)開發(fā)性實(shí)驗(yàn)的興趣和積極性，培養(yǎng)大學(xué)生工程實(shí)際能力強(qiáng)，能夠掌握先進(jìn)計(jì)算理論和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)秀人才；

2）通過對(duì)外開放，能夠?qū)ο噜弻W(xué)校起到一定的示范作用。

預(yù)定計(jì)劃執(zhí)行情況，項(xiàng)目研究和實(shí)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?jǐn)?shù)不限，可加頁面）

項(xiàng)目按照申請(qǐng)書的計(jì)劃內(nèi)容已經(jīng)完成，取得了很好研究成果，已獲批了1項(xiàng)國家發(fā)明專利，有1篇學(xué)術(shù)論文正在修改準(zhǔn)備投到CSCD級(jí)別的刊物，研究中仍存在以下不足之處：

    (1) 智能骨料相對(duì)混凝土試件較大，且需要引出導(dǎo)線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即監(jiān)測(cè)傳感器尺寸以及導(dǎo)線對(duì)其監(jiān)測(cè)界面的性能存在一定的影響，需對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)；

(2) 該智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋制作工藝相對(duì)較為復(fù)雜，且是在現(xiàn)有的成品FRP筋材料進(jìn)行加工，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)其制作步驟，在FRP筋制品過程中就將智能監(jiān)測(cè)材料埋置，使其得以正在的產(chǎn)品化。

根據(jù)上述研究中存在的問題，尚需進(jìn)一步研究的建議如下：

1） 根據(jù)已有的FRP筋錨具開發(fā)適合智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋的錨具；

2） 更深層的研究開發(fā)尺寸較小，帶自供電能，適用范圍更大的智能骨料；

3） 進(jìn)一步改進(jìn)智能混雜復(fù)合FRP預(yù)應(yīng)力筋制作工藝，使其產(chǎn)品化成為可能。

經(jīng)費(fèi)合計(jì) 1萬  元，其中，學(xué)校配套資助  1萬    元，學(xué)院（所）配套資助   0  元，其他經(jīng)費(fèi)     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(jié)拉拔試件加工制作費(fèi)6050元；論文版面費(fèi)3200元；專利申請(qǐng)費(fèi)4500元。共計(jì)2萬元整。

項(xiàng)目指導(dǎo)教師對(duì)結(jié)題的意見，包括對(duì)項(xiàng)目研究工作和研究成果的評(píng)價(jià)等。

項(xiàng)目組成員已完成了該項(xiàng)目的研究工作，其研究成果具有創(chuàng)新性，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，同意結(jié)題。

負(fù)責(zé)人簽章：

  年    月    日

學(xué)校對(duì)項(xiàng)目研究的任務(wù)、目標(biāo)、方法和研究成果水平等進(jìn)行評(píng)價(jià)，是否結(jié)題。

年    月    日