GFRP筋及钢筋抗浮锚杆承载特性现场试验及荷载-位移模型

玻璃纤维增强聚合物(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)锚杆是从非金属锚杆中发展出的新型复合材料锚杆,具有自重轻、抗拉强度高、造价低、抗腐蚀性能好、抗电磁干扰能力强等优点。基于某中风化花岗岩场地的GFRP筋及钢筋抗浮锚杆的破坏性拉拔试验,对抗浮锚杆在拉拔过程中锚杆杆体及锚固体的位移进行测量,分析了不同材质、不同锚固长度的抗浮锚杆的承载性能及杆体、锚固体相对滑移量的差异,对比不同荷载-位移模型并获得了最适宜岩石抗浮锚杆的荷载-位移模型。试验结果表明:在中风化花岗岩中,相同锚固长度下的GFRP抗浮锚杆比钢筋抗浮锚杆的破坏荷载增加13%~14%,GFRP抗浮锚杆更易发生杆体拔出破坏,锚固系统仍有残余承载力未发挥,使用GFRP锚杆代替钢筋锚杆具有可行性;与锚固长度为4.5 m的GFRP抗浮锚杆相比,锚固长度为6.5 m的锚杆杆体相对于锚固体的滑移量更大,增大GFRP抗浮锚杆的锚固长度可有效增加其相对滑移量,但提升钢筋抗浮锚杆的锚固长度对其破坏形态无明显影响;双曲线函数及幂函数荷载-位移曲线模型与实测值吻合度较差,指-幂函数曲线模型对本次试验锚杆的破坏荷载预测精度最高,曲线整体走势较一致。      

弯曲与直锚GFRP复合材料抗浮锚杆锚固特性试验研究

玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料因其抗拉强度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点,被越来越多地应用于建（构）筑物地抗浮工程中,但弯折后的力学性能研究较少。为研究弯曲GFRP复合材料抗浮锚杆的力学特性,本文基于8根表面黏砂型GFRP复合材料抗浮锚杆和8根螺纹钢筋抗浮锚杆的现场足尺拉拔破坏性试验,研究了直锚、弯曲GFRP复合材料抗浮锚杆在混凝土底板中的锚固特性。试验结果表明:弯曲处理不利于提高GFRP复合材料抗浮锚杆极限承载力,且弯折长度越长,极限承载力降低幅度越大,但可以有效限制锚杆在底板中的位移,且弯折长度越长,位移限制效果越明显。增加锚固长度可以提高抗浮锚杆的极限承载力且有效限制其位移。通过引入抗浮锚杆弯曲处理影响系数讨论了弯曲处理对GFRP复合材料抗浮锚杆锚固特性的影响,并提出了需进一步研究的问题。      

基于裸光纤光栅传感技术GFRP抗浮锚杆荷载传递机制的原位试验研究

基于3根全螺纹GFRP抗浮锚杆现场拉拔破坏性试验,成功地将植入式裸光纤光栅传感技术应用于抗浮锚杆拉拔试验中,研究了全长黏结GFRP抗浮锚杆在各级荷载作用下的承载特性、荷载传递特征及破坏机制。研究表明:植入式裸光纤光栅传感技术有其独特的优越性,不会对锚杆自身造成损伤;GFRP抗浮锚杆破坏以杆体基体材料剪切破坏为主,锚固长度为5.0 m,ϕ28 mm锚杆极限抗拔承载力为400 kN,能够满足工程需求;锚杆的轴向应力主要集中在距孔口约3.0 m的区域,且随着锚固深度的增加迅速衰减;剪应力峰值出现在距离孔口以下约0.8 m的位置,随着荷载的增加,剪应力曲线的峰值逐渐增大并向深部移动。在此基础上,进一步分析论证了GFRP抗浮锚杆的破坏机制,为GFRP抗浮锚杆的工程应用提供了理论依据。     

高应变率荷载作用下钢筋与ECC的黏结滑移关系研究

采用水泥基复合材料(engineering cementitious composite, ECC)替代混凝土可以提高结构在偶然荷载作用下的抗连续倒塌性能,但在悬链线大变形阶段钢筋与ECC间可能会出现黏结滑移破坏。基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,进行了钢筋与ECC的动态黏结滑移性能试验,分析了ECC强度等级、应变率、钢筋直径对极限黏结强度、刚度和滑移量的影响规律,获得了高应变率下钢筋与ECC的平均黏结滑移曲线,得到其黏结滑移破坏模式。并与静态黏结滑移试验进行对比,得到了动态黏结强度增强因子。进一步,通过钢筋开槽内贴应变片法,获得不同锚固位置的黏结应力及相对滑移的分布规律,提出黏结位置函数。最后,根据试验结果得到钢筋与ECC平均黏结滑移本构,进而乘以黏结位置函数得到考虑锚固位置影响的动态黏结滑移本构,为ECC结构构件设计及有限元分析提供试验依据和理论参考。     

钢筋混凝土黏结滑移效应计算方法与应用

以钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)结构中锚固区域的黏结滑移效应为研究对象,基于一致黏结滑移本构模型,根据微元法建立锚固区域控制方程,通过积分计算并考虑实际工程中的边界条件,解得钢筋应力-滑移关系解析模型,与既有拉拔试验数据对比,验证了该解析模型的可靠性。进而,基于OpenSEES有限元平台,将模型与零长度纤维截面单元嵌套,结合纤维梁柱单元,建立考虑钢筋黏结滑移效应的数值建模方法。通过与既有RC构件的拟静力试验及应用传统宏观本构的数值模型进行对比,从构件层面进一步对解析模型的可靠性进行验证。结果表明：提出的钢筋应力-滑移模型能较好的反映长锚固钢筋受拉时的滑移行为;应用钢筋应力-滑移模型的零长度纤维模型能较为准确地计算RC柱的滞回曲线,相较于应用传统宏观本构的数值模型,提高了RC柱刚度与强度及其退化规律的预测精度,且对于不同设计参数的RC构件,能够更加准确的表征不同加载状态下的钢筋滑移行为。     

钢筋锈蚀后与再生混凝土间粘结-滑移本构关系研究

为研究钢筋锈蚀后与再生混凝土间粘结-滑移本构关系,主要考虑了不同钢筋锈蚀率、不同再生粗骨料取代率、不同再生混凝土强度等因素的影响,采用加速通电锈蚀以及钢筋开槽内贴片方法,完成23组钢筋再生混凝土试件粘结-滑移性能拉拔试验,获得了再生混凝土与不同锈蚀程度螺纹钢筋间的荷载-滑移曲线以及不同锚固位置处钢筋应变。通过实测结果及理论分析,计算得到不同锈蚀率下钢筋再生混凝土间粘结应力及滑移值沿锚固长度分布规律,分析了钢筋锈蚀前后与再生混凝土间粘结应力传递及粘结锚固位置函数差异的受力机理,提出了不同锈蚀率下反映实际粘结分布规律的粘结锚固位置函数模型,最后建立钢筋锈蚀后与再生混凝土间考虑粘结-滑移位置函数的粘结-滑移本构关系,为锈蚀后钢筋再生混凝土有限元分析提供参考依据。     

钢筋与混凝土粘结界面局部断裂能的确定

钢筋与混凝土界面断裂能是一个重要的参数,其决定界面的粘结滑移大小及界面发生粘结破坏后裂缝的扩展程度。以往确定钢筋与混凝土界面粘结滑移本构关系的试验中,测得的滑移量过大,使得得到的界面断裂能值偏高,与实际情况不符。但通过现有的试验手段很难较为准确地得到界面局部粘结滑移本构关系。鉴于此,该文采用理论与试验相结合的方法确定钢筋与混凝土粘结界面局部断裂能的大小。针对直径为18 mm的光圆钢筋与混凝土粘结锚固试件,利用PVC管设置不同非粘结段长度作为界面的初始缝长。通过钢筋从混凝土中的拔出试验测得不同初始缝长对应的钢筋极限抗拔力。利用界面的变形协调条件和力的平衡条件,得到了不同加载阶段钢筋拉应力与界面粘结应力沿粘结长度方向的分布表达式,进而求得钢筋的极限抗拔力。结果表明,该极限抗拔力大小取决于界面的粘结强度、残余摩擦应力和初始裂缝尖端区域的局部断裂能大小。通过钢筋极限抗拔力的理论与试验结果的比较,得到了界面局部断裂能与界面初始缝长之间的关系。进而确定了局部断裂能沿钢筋粘结长度方向的分布模型,并得到了无尺寸效应的界面断裂能大小为25 N/m。。     

超高韧性水泥基复合材料与钢筋粘结本构关系的试验研究

超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites,简称UHTCC)是一种新型高性能纤维混凝土,具有卓越的韧性和优良的耐久性能,已被成功地应用于许多实际工程。当在该材料浇注的构件中配制加强钢筋时,除了各自基本的材料力学性能外,它们之间的粘结滑移本构关系也是获取正确可靠的结构力学响应所必需的基本参数。基于此,在对6个钢筋内贴片试件进行拉拔试验的基础上,通过实测的钢筋应变和端部滑移,分析了两者之间的粘结应力以及相对滑移沿锚固长度的分布规律,进而推导出沿锚固长度变化的粘结滑移本构关系和反映这种变化的位置函数,并建立考虑锚固位置的粘结滑移本构关系。     

冻融损伤后钢筋与再生混凝土黏结滑移性能试验研究

对经过0次、25次、50次、75次、100次冻融循环作用后的再生混凝土(粗骨料取代率100%)进行拉拔试验研究,得出不同冻融循环次数、保护层厚度和锚固长度下钢筋与再生混凝土间黏结性能的变化规律。结果表明:随着冻融循环次数的增加,钢筋与再生混凝土间的黏结强度逐渐降低,而滑移值逐渐增加;黏结强度随着相对保护层厚度的增加而增大且呈线性关系,随着相对锚固长度的增加,黏结强度却随之减小,当相对保护层厚度和锚固长度增加到一定值后,黏结强度基本保持不变。基于试验结果给出黏结-滑移曲线,曲线分为微滑移线性阶段、滑移阶段、滑移加速阶段、非线性下降段和残余阶段等5个阶段。通过分析试验数据提出不同影响因素下各阶段黏结锚固特征值的拟合计算公式,为我国冻融环境下再生混凝土结构的耐久性设计提供参考。     

粘砂变形GFRP筋的粘结滑移本构关系

基于18个梁式试验、42个Losberg拉拔试验和6个标准拉拔试验,对工程中应用最普遍的粘砂变形GFRP筋与混凝土之间的粘结滑移本构关系进行了较系统的研究。研究表明:GFRP筋试件的粘结应力-滑移曲线(τ-S曲线)可分为微滑移段、滑移段、下降段和残余段,区分这四段的三个特征点分别为弹性滑移点、峰值滑移点和残余滑移点;与变形钢筋不同,GFRP筋试件τ-S曲线的上升段可分为滑移量较小的微滑移段和滑移量明显增大的滑移段,下降段的粘结应力降幅较小,残余段近似呈正弦曲线;随着直径和粘结长度的增加,GFRP筋试件τ-S曲线上峰值滑移点的滑移量减小,3个特征点的粘结应力也呈降低趋势。基于试验结果,建立了粘砂变形GFRP筋与混凝土之间粘结滑移本构关系的理论模型,并提出了曲线上特征点的粘结应力及其滑移量的计算公式。     

GFRP带肋筋粘结性能试验研究

利用拉拔试验,研究玻璃纤维增强塑料(GFRP)带肋筋与混凝七的粘结性能,确定GFRP带助筋的最佳外形,构建GFRP带肋筋与混凝土的粘结滑移本构关系模型.试验变量包括筋直径、肋间距和肋高度.试验结果表明:GFRP带肋筋与混凝土的粘结强度显著提高;粘结强度随GFRP带肋筋直径的增大而降低;试件的破坏形式为GFRP带肋筋肋间混凝土的剪切破坏,以及肋表面的轻微磨损;不同的肋参数,如肋间距、肋高度等,对GFRP带肋筋与混凝土的粘结性能影响显著.通过对试验数据的分析可得,机械咬合力是GFRP带肋筋与混凝土的粘结强度的主要组成部分;剪切滞后现象反映了直径对GFRP筋粘结性能的影响;楔块效应反映了肋参数对GFRP筋粘结性能的影响;GFRP带肋筋的最佳肋间距为筋直径的1倍,最佳肋高度为筋直径的6%,此结果可为GFRP带肋筋的规模化生产及工程应用提供理论依据;新构建的粘结滑移本构关系模型能较好地反映GFRP带肋筋的受力全过程.     

CFRP筋夹板式锚具锚固性能试验研究

设计了一种CFRP 筋夹板式锚具,通过对40 个CFRP 筋-锚具组装件的拉拔试验,研究了锚固长度、螺栓预紧力、螺栓数量和CFRP 筋表面处理等对锚具锚固性能的影响.试验结果表明:试件的破坏形态包括CFRP筋的滑移、断裂和拉脱三种,试件达到极限荷载时的滑移量较小.增加锚固长度、螺栓总预紧力、螺栓数量以及对CFRP 筋表面打磨处理均可在一定范围内提高锚具试件的极限荷载.通过合理控制上述参数,可以使锚具发挥良好的锚固性能,满足实际使用要求.该文给出了CFRP 筋夹板式锚具合理的构造和螺栓预紧力值.在试验研究基础上,分析了CFRP 筋夹板式锚具的锚固作用机理,建立考虑锚固长度、螺栓预紧力和螺栓数量的CFRP 筋-锚具界面平均摩擦系数模型,并提出夹板式锚具的极限荷载计算公式,与试验结果吻合良好,具有较好的适用性.     

FRP-to-concrete joint assemblages anchored with multiple FRP anchors

Mechanical anchorage can enhance the strain capacity of externally bonded fibre-reinforced polymer (FRP) composite plates which are used for the strengthening of concrete members. Anchors made from FRP, which are known as FRP anchors or spike anchors, are an effective anchorage because they can be applied to a wide variety of FRP-strengthened structural elements such as beams and slabs. Limited research and understanding of FRP anchors in isolation or in groups is, however, hindering their rational design. As a result of such a knowledge gap, a series of tests is reported in this paper on forty-one FRP-to-concrete joints anchored with single as well as multiple FRP anchors in addition to two unanchored control joints. Apart from the number of anchors, the location of the anchors is investigated in addition to the method of anchor installation. The displacement controlled nature of the tests has enabled the complete load-slip responses of the joints to be captured, as well as FRP plate strains, and such results facilitate valuable insights to be gained in behaviour and understanding. The optimal arrangement of anchors tripled the strength of anchored joints relative to the unanchored control joint average. In addition, the slip capacity was generally increased at least five fold. Finally, a simple analytical model is also presented which is shown to compare reasonably well with the test results.     

基于Mindlin解地震作用下压力型锚索的拟静力分析

为了更加精确地研究地震作用下压力型锚索的锚固机理,基于Mindlin解推导出了圆形均布荷载作用下压力型锚索体系中注浆体受到的压应力表达式和注浆体与锚索孔壁之间的剪应力表达式,结合地震作用效应的拟静力简化方法,研究了锚索孔半径、承压板半径、岩土体的泊松比、锚索孔方向与水平线之间的夹角、预应力值大小、地震烈度等因素对压力型锚索加固效果的影响。研究结果表明:锚索孔半径、承压板半径、锚索孔方向与水平线之间的夹角、预应力值大小、地震烈度的影响结果较大,岩土体的泊松比影响结果较小。研究成果丰富了预应力锚索的抗震设计内容,可为边坡加固充分发挥压力型锚索良好的抗震性能提供参考。     

U形CFRP条带混锚加固混凝土梁抗剪试验

为解决纯粘贴U形纤维增强聚合物基复合材料（FRP）加固钢筋混凝土梁中FRP端部容易发生剥离破坏等问题,自主研发了对纤维布条带端部进行自锁锚固的方法和锚板,提出了端锚与粘贴并用的混锚U形条带抗剪加固方法。通过2根未加固梁、1根纯粘贴和2根混锚U形碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）带抗剪加固梁的对比试验,证实了混锚抗剪加固的有效性：混锚能够对纤维带端部进行可靠锚固,阻止端部剥离破坏的发生,实现纤维拉断破坏,大幅度提高材料强度利用率。混锚加固在抑制混凝土梁斜裂缝开展、延缓箍筋屈服、提高箍筋和CFRP的极限应变以及提高抗剪承载力等多个方面的表现均明显优于纯粘贴加固。     

Bond-slip model for FRP-to-concrete bonded joints under external compression

The influence of compressive stresses exerted on FRP-concrete joints created by external strengthening of structural members on the performance of the system requires better understanding especially when mechanical devices are used to anchor the externally bonded reinforcement (EBR). The numerical modelling of those systems is a tool that permits insight into the performance of the corresponding interfaces and was used in the present study, essentially directed to analyse the effectiveness of EBR systems under compressive stresses normal to the composite surface applied to GFRP-to-concrete interfaces. The compressive stresses imposed on the GFRP-to-concrete interface model the effect produced by a mechanical anchorage system applied to the EBR system. An experimental program is described on which double-lap shear tests were performed that created normal stresses externally applied on the GFRP plates. A corresponding bond-slip model is proposed and the results of its introduction in the numerical analysis based in an available 3D finite element code are displayed, showing satisfactory agreement with the experimental data. The results also showed that lateral compressive stresses tend to increase the maximum bond stress of the interface and also originate a residual bond stress which has significant influence on the interface strength. Also, the strength of the interface increases with the increase of the bonded length which have consequences on the definition of the effective bond length.