FRP筋与混凝土粘结性能研究进展及本构模型改进

近年来,FRP（纤维增强聚合物）筋代替钢筋在混凝土结构中得到越来越广泛的应用。与钢筋相比,FRP筋具有各向异性、非均质、表面形式不同等特性,这导致FRP筋与混凝土之间的粘结机制不同于钢筋与混凝土。为全面了解FRP筋与混凝土之间的粘结性能,收集数据建立由342个拉拔试验试件组成的数据库,分析粘结性能与各因素之间的关系,对没有达成一致结论的观点进行补充和讨论,分析高温、冻融循环、电解质溶液对FRP筋与混凝土粘结性能的影响;校核常用的粘结-滑移本构模型的计算精度,基于建立的试验数据库,提出新的精度更高的粘结-滑移本构上升段表达式。     

FRP筋混凝土梁粘结滑移力学性能数值分析

为了研究FRP筋与混凝土之间的粘结性能以及FRP筋与FRP筋混凝土构件的力学性能,采用ABAQUS建立FRP筋混凝土梁有限元数值模型,模型中混凝土采用塑性损伤模型,FRP筋采用线性单元.FRP筋单元和混凝土单元采用非线性弹簧单元连接,通过选取粘结滑移本构、锚固长度计算公式和调整添加弹簧的数量以及位置来考虑粘结滑移对FRP筋混凝土梁受力性能的影响.数值模拟结果与文献试验结果具有较好的一致性,验证了该有限元模型的正确性,所得结果对FRP筋混凝土结构试验具有一定的指导作用.     

FRP筋混凝土锚固长度的试验研究

纤维增强复合材料（Fiber-reinforced polymer,FRP）优越的耐腐蚀性可以避免筋材锈蚀引起的混凝土结构劣化。基于此,FRP筋混凝土受到国内外广大研究学者的关注。FRP筋与混凝土的粘结性能和锚固长度是影响FRP筋和混凝土协同工作的主要因素。本文对不同FRP筋混凝土试件进行拉拔试验,分析其损伤机理和粘结强度,推导不同FRP筋的锚固长度计算公式,为工程应用提供理论指导与依据。     

FRP筋与混凝土粘结滑移试验研究

目的 探讨FRP筋混凝土试件的受力过程和破坏形式,建立FRP筋与混凝土粘结-滑移本构关系模型.方法 对84个FRP筋混凝土试件进行单端拉拔试验,分析试验结果 ,对试件荷载(粘结应力)-滑移关系曲线进行研究.结果 试验结果 表明,试件的受力过程划分为两种形式,即肋未剥离劈裂破坏和肋剥离断裂破坏.肋未剥离劈裂破坏的受力过程分为微滑移、滑移、劈裂、下降和残余阶段;肋剥离断裂破坏的受力过程分为微滑移、滑移、剥离断裂和下降阶段.结论 FRP筋混凝土试件的受力过程和破坏形式与FRP筋表面肋有重要关系;基于肋未剥离劈裂破坏的试验结果 建立的FRP筋与混凝土粘结-滑移本构关系模型能够比较真实地反映试件粘结滑移全过程实际受力特征.     

型钢混凝土基准粘结滑移本构关系试验研究

进行型钢混凝土标准推出试件试验，对型钢混凝土粘结滑移性能和粘结滑移受力机理研究．根据荷载-加载端滑移曲线的试验研究结果，建立型钢混凝土特征粘结强度、特征滑移的统计回归计算公式，并提出型钢混凝土粘结滑移本构关系数学模型．进一步采用所建立粘结滑移基准本构模型对型钢混凝土推出试件进行ANSYS数值模拟分析，数值模拟结果与试验结果吻合较好．研究结果表明，所建立型钢混凝土粘结滑移本构模型简单实用，并且能较全面的反映混凝土强度等级、横向配箍率、型钢埋置长度和型钢保护层厚度等主要影响因素的影响，可为型钢混凝土粘结滑移性能和型钢混凝土结构数值模拟技术研究提供参考．     

FRP筋与混凝土粘结滑移数值模拟

目的对FRP筋与混凝土粘结滑移性能进行数值模拟.方法利用ANSYS非线性有限元程序,对混凝土、FRP筋以及两者之间的粘结滑移作用分别采用不同的单元类型,考虑各材料及其之间的本构关系,对FRP筋混凝土拉拔试件建立分离式的有限元模型,并对其进行计算分析,进一步将计算结果与试验结果进行对比分析.结果对比研究表明,拉拔试件的荷载-加载端、自由端滑移曲线与试验曲线相比,两者吻合较好,且荷载-加载端滑移曲线与试验曲线的吻合程度比自由端要好.另外,模拟得到的试件极限荷载、粘结应力峰值与试验结果均吻合较好,而其相对应的滑移计算值与试验结果相比略大.结论ANSYS非线性有限元程序能够有效地模拟FRP筋和混凝土之间的粘结滑移作用,可以得到较为准确的极限状态值,也能较为准确地模拟粘结滑移的真实受力过程.     

纤维聚合物筋混凝土粘结性能的基本问题

纤维聚合物筋与钢筋性能的差异 ,使纤维聚合物筋混凝土的粘结性能与钢筋混凝土的粘结性能存在明显不同 .根据纤维聚合物筋与混凝土之间的传力机理 ,讨论了粘结应力、纤维聚合物筋应力以及锚固长度之间的关系 ,建立了纤维聚合物筋混凝土粘结计算的基本公式 .在总结国内外已有的纤维聚合物筋与混凝土粘结滑移本构模型的基础上 ,提出了粘结滑移的连续曲线本构模型 .该模型以粘结滑移曲线的三个关键点为基础 ,物理概念明确、光滑连续 .最后 ,讨论了锚固长度的计算问题 ,建议了锚固长度的计算方法     

FRP带肋筋粘结性能试验研究

为了研究FRP筋与混凝土间的粘结力构成、粘结的工作原理以及粘结强度的影响因素,针对30种不同肋参数的GFRP带肋筋,进行GFRP带肋筋粘结性能的拉拔实验,通过FRP筋与混凝土构件粘结滑移机理、粘结滑移本构模型,系统地研究GFRP带肋筋与混凝土的粘结性能.研究结果表明:在FRP带肋筋混凝土构件的拉拔试验中会出现筋的剪切滞后现象,FRP带肋筋的粘结强度随筋直径的增大而减小.同时在凸肋和混凝土之间发生楔块效应,FRP带肋筋与混凝土之间的粘结强度主要影响因素为FRP带肋筋表面凸肋与混凝土的胶着力、咬合力.对以后FRP带肋筋的生产及实际应用提供参考依据.     

玻璃纤维增强塑料（GFRP）锚杆粘结性能的影响因素分析

通过对国内外大量拉拔试验和梁式试验得到GFRP筋与混凝上粘结性能试验结果的调查分析,探讨了GFRP筋的表面形状与表面处理方法,GFRP直径、GFRP埋入长度、混凝土强度等级与使用环境等因素对GFRP筋粘结强度的影响,指出了FRP筋的粘结滑移关系模型与粘结长度计算公式的特点与应用条件.分析表明：①粘结强度随着肋间距的增大先增加后下降,随着肋高度的增大也是先增加后下降,随着肋宽度的增加而增大;GFRP筋的粘结强度随着埋入长度的增加而降低,随着混凝土强度的提高而增加;GFRP筋在使用环境中性能的劣化使得其与混凝土粘结强度降低.②试验方法与试件没有统一标准,GFRP锚杆粘结性能研究缺少大量实验数据的支撑.     

不同钢筋位置下锈蚀钢筋混凝土梁粘结性能分析

为了研究锈蚀钢筋所处的不同位置对钢筋混凝土梁粘结性能的影响，本文对12个不同锈蚀纵筋位置的梁式试件进行了4点弯曲加载。试验结果表明：纵筋位于混凝土梁底角部试件与其位于梁底中部的试件相比，在理论锈蚀率为0%、1%、2%、4%、8%时粘结强度分别降低17%、20%、46%、26%、18%。基于试验结果，建立了考虑钢筋位置的锈蚀钢筋-混凝土界面平均粘结应力-滑移本构方程。基于ANSYS软件，利用粘结-滑移本构关系进行数值模拟。结果表明，考虑钢筋位置的粘结-滑移本构模型能够有效计算平均极限粘结应力，数值模拟值与试验值吻合较好。此外，本文提出考虑钢筋位置的钢筋混凝土梁随锈蚀率变化的极限粘结强度劣化模型。     

考虑黏结-滑移效应的FRP筋混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法

由于纤维增强聚合物(FRP)筋的弹性模量较低,FRP筋混凝土梁的设计状态通常采用其在正常使用极限状态下的裂缝宽度来控制,故准确预测最大裂缝宽度对FRP筋混凝土梁的设计及应用至关重要。FRP筋混凝土梁裂缝宽度的计算公式依然沿用我国《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB 50608—2010)中的半经验计算公式,计算结果偏小。相较于经验公式,基于应力传递的数值计算模型可以充分反映开裂混凝土和FRP筋之间应力重分布的复杂特性。因此,在综合考虑FRP筋与混凝土间的黏结-滑移效应、裂缝间混凝土拉伸硬化效应以及材料非线性本构关系等问题的基础上,建立了FRP筋混凝土梁裂缝宽度计算的数值模型。数值分析中采用了两种黏结应力-滑移本构模型,通过对比可得,本构模型的选取对计算结果具有较大的影响。将数值模型计算结果与试验结果和按规范中公式计算的结果进行对比后发现:试验梁纯弯区短期平均裂缝宽度的模型预测结果与试验结果较为接近,两者比值的均值为0.92;按修正后的公式计算,结果更精确。     

高温下FRP筋与混凝土的粘结性能

为研究FRP筋与混凝土在高温下的粘结性能,对表面喷砂的GFRP、BFRP筋混凝土进行了高温下的拉拔试验,得到20～350℃温度范围内粘结强度及滑移曲线随温度的变化规律.试验结果表明,高温下FRP筋与混凝土粘结性能的衰减集中出现在树脂的玻璃软化温度区间,结合材料热分析的试验结果,本文提出了FRP筋与混凝土的粘结强度随温度的衰减模型,该模型以树脂玻璃化温度t和热分解温度n为控制参数,具有较强的通用性并可应用于其他树脂材料和纤维类型的FRP筋中.高温中FRP筋与混凝土的粘结破坏模式为FRP主筋与喷砂层间的界面剥离破坏,根据高温下二者粘结受力的特点,本文首次提出了高温中FRP筋与混凝土的四阶段粘结滑移模型,该模型以常温下的CMR、mBEP模型为原型,通过回归高温拉拔试验的变化规律以得到模型中的各项参数.经验证该滑移模型与常温及高温拉拔试验结果具有较好的吻合性,可指导应用于FRP筋混凝土构件的抗火设计中.     

FRP筋混凝土界面粘结疲劳性能及损伤机理研究进展

国内外学者针对 ＦＲＰ筋混凝土界面静力粘结性能研究主要是基于拉拔试件和梁式试件为主的试验研究,试验参数涉及 ＦＲＰ筋的种类、表面形式、直径、锚固长度以及粘结介质的种类和强度等,在试验的基础上建立了相应的粘结滑移本构模型和临界锚固长度计算式。对 ＦＲＰ筋混凝土梁的疲劳性能研究主要集中在梁疲劳后整体的强度和刚度的变化,而针对 ＦＲＰ筋混凝土界面的局部疲劳粘结性能研究较少,且主要基于等幅疲劳荷载试验,研究成果中也未见疲劳试验参数对粘结本构关系和临界锚固长度的影响。国内学者在疲劳线性损伤累积理论的基础上对 ＦＲＰ筋混凝土结构界面在等幅疲劳荷载、多级等幅疲劳荷载以及随机疲劳荷载等作用下疲劳损伤的剩余强度模型和剩余刚度模型进行了实践和推广应用。ＦＲＰ筋混凝土界面静力粘结性能研究成果为 ＦＲＰ筋混凝土结构在土木工程中的进一步应用提供了参考,并为后续的疲劳粘结性能研究打下了坚实的基础。但是 ＦＲＰ筋混凝土界面的随机疲劳粘结性能及寿命预测值得进一步探索。     

纤维增强塑料筋与珊瑚混凝土粘结滑移本构模型

鉴于ＦＲＰ筋与钢筋之间、珊瑚混凝土与普通混凝土之间的物理力学特性差别,现有的钢筋－混凝土粘结滑移理论无法准确描述ＦＲＰ筋－珊瑚混凝土间的粘结滑移行为。在已有研究成果和试验的基础上,建立了适用于ＦＲＰ筋与珊瑚混凝土粘结滑移本构模型,并求解基于该模型上升段的粘结－滑移微分方程解答,利用该模型推导出ＦＲＰ筋在珊瑚混凝土构件中的最小锚固长度的理论公式,并引入珊瑚混凝土修正系数。结果表明：该模型测算结果与试验数据吻合良好,研究成果为ＦＲＰ筋与珊瑚混凝土的粘结理论研究提供了有益的参考。     

FRP板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究

采用7种不同的粘结树脂,通过2批双剪试件的拉伸剪切试验研究了拉挤成型玄武岩纤维复合板与后浇混凝土湿粘结界面的力学性能,并将其与在既有混凝土表面外贴FRP形成的干粘结界面进行了比较,通过对比两者的破坏特征、荷载位移曲线、有效粘结长度、粘结滑移关系、界面断裂能以及粘结破坏机理,深入地研究了湿粘结界面的性能。结果表明：湿粘结的粘结强度仅为干粘结的1/2~2/3,但2种界面的有效粘结长度相差不大。最后,基于试验数据提出了适用于湿粘结界面的剪切滑移本构模型。     

中低速荷载下FRP与混凝土界面本构模型开发

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,简称FRP)常被用于加固钢筋混凝土结构,FRP与混凝土的粘结性能是确保加固效果的关键,但目前缺乏合适的考虑FRP与混凝土界面行为非线性和滑移速率效应的本构模型.本研究基于LS-DYNA子程序开发平台,进行了本构模型开发,该模型考虑了界面本构非线性关系及滑移速率效应对界面剪切模态断裂能G~(II)_f的影响,完整定义了中低速荷载(滑移速率为10~(-7 )～10~(-3 ) m/s)作用下FRP与混凝土界面的动态粘结-滑移关系.采用该模型对FRP与混凝土界面单元受中低速荷载作用的纯剪切模态进行有限元模拟,有限元计算结果表明,该本构模型可以准确反映中低速荷载作用下FRP与混凝土界面的动态粘结-滑移关系.     

活性粉末混凝土受弯构件中钢筋粘结性能

为了研究活性粉末混凝土构件中钢筋的粘结特性,采用梁式试验方法分析了各因素对粘结性能的影响,建立了粘结应力-滑移本构模型,并与普通C40混凝土进行对比.研究表明:活性粉末混凝土试件与C40混凝土试件的粘结应力-滑移曲线整体规律相同,活性粉末混凝土的抗压强度及粘结强度都远大于普通混凝土,其中极限粘结强度τu约为C40混凝土的3倍,其对应的滑移值su约为C10混凝土的2倍,相对粘结强度τu/(fcu)i约为C10混凝土的1.6倍;根据试验曲线及试件破坏过程对活性粉末混凝土与钢筋之间的粘结机理进行分析,并根据试验数据统计回归出多因素影响下锚固特征值的经验公式,建立了四折线的粘结应力-滑移本构模型.     

基于基因表达式编程的NSM FRP-混凝土粘结强度预测模型

纤维增强复合材料（fiber-reinforced polymer,FRP）已被广泛应用于混凝土加固工程中。FRP与混凝土界面间的粘结性能是影响加固效果的重要因素之一,为准确预测FRP嵌入式加固（near-surface-mounted,NSM）NSM FRP-混凝土的粘结强度,运用基因表达式编程（gene expression programming,GEP）方法,选取混凝土抗压强度、粘结长度、槽深宽比、FRP轴向刚度、FRP抗拉强度及环氧树脂抗拉强度等6个参数作为粘结强度的影响因素,建立了NSM FRP与混凝土粘结强度的预测模型,提出了具体的计算公式。通过比较粘结强度预测值与实验值,发现二者较为接近,说明该模型具有一定的可靠性。对该模型进行敏感性分析,发现其可以反映粘结强度与单因素之间的内在关系,即粘结强度随着粘结长度、混凝土抗压强度、槽深宽比及FRP轴向刚度等因素的增大而增大。将该GEP模型与经验模型及小波神经网络模型进行比较,并选取6个统计指标对模型进行评价。结果表明,GEP模型与小波神经网络模型的精度较高,各项误差指标均较小,决定系数分别为0.793和0.787。总体而言,GEP模型的精度略优于小波神经网络模型,二者的精度均远高于经验模型。     

T型钢与混凝土粘结强度的试验研究

通过8个型钢(T型钢)混凝土试件粘结滑移性能的推出试验,分析了荷载与加载端滑移曲线的分布规律,研究了混凝土强度、混凝土保护层厚度、横向配箍率三个因素对型钢混凝土粘结强度的影响.试验结果表明,混凝土强度、混凝土保护层厚度、横向配箍率对粘结强度影响显著,近似呈线性关系,综合考虑这三个因素,统计回归出型钢混凝土特征粘结强度和特征滑移值的计算公式,与试验值对比分析,符合较好;并建立了型钢混凝土平均粘结强度-加载端滑移本构关系的数学模型.     

纤维增强塑料筋锚杆锚固性能的数值分析

将纤维聚合物筋锚杆与锚固体之间的粘结层简化为粘结界面,以纤维聚合物筋锚杆、锚固体的应力应变本构关系以及纤维聚合物筋锚杆与锚固体的非线性粘结滑移本构关系为基础,利用数值叠代和递推计算方法实现了纤维聚合物筋锚杆与锚固体锚固性能的计算机模拟试验,并以纤维聚合物筋与混凝土的粘结锚固问题为例进行了数值分析,得到了纤维增强塑料筋与混凝土的加载端拔出力与滑移的关系.