大直径玻璃纤维增强聚合物复合材料抗浮锚杆外锚固性能试验及黏结-滑移模型

玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料抗浮锚杆与建筑物混凝土底板的锚固效果关乎整个结构的安全性和稳定性。为深入探究GFRP复合材料抗浮锚杆与混凝土底板之间的锚固性能,本文通过自行设计的足尺锚杆对拉试验装置对不同锚固形式的GFRP复合材料抗浮锚杆进行抗拔试验,测定锚杆极限抗拔承载力及杆体与混凝土间相对滑移量。试验结果表明,采用新型应力分散锚具锚固的GFRP复合材料抗浮锚杆外锚固段锚固效率均在80%以上,与混凝土间滑移量均大于裸筋直锚试件,证实该新型应力分散锚具可有效提升GFRP复合材料抗浮锚杆外锚固效果。在双曲线模型基础上提出一种新型的描述GFRP复合材料抗浮锚杆与混凝土黏结-滑移关系上升段本构模型,该模型综合考虑杆体直径及锚固长度对锚杆杆体与混凝土间黏结-滑移本构关系的影响,模型预测结果与本次试验结果吻合度较高,并对模型的合理性和准确性进行了验证。     

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。     

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。      

混凝土结构中考虑滑移效应的钢筋本构模型研究

以钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）结构中的钢筋滑移效应为研究对象,通过黏结应力分布简化模型,得到了钢筋应力-滑移关系,基于已有拉拔试验数据验证了该钢筋滑移关系的可靠性。结合塑性铰长度模型建立了可考虑滑移效应的钢筋应力-应变理论关系,分析了混凝土强度、钢筋直径和塑性铰长度等参数对该关系的影响,提出了考虑滑移效应的双线性钢筋本构模型。基于OpenSEES有限元平台,将该模型用于纤维截面的宏观单元模型中模拟RC柱的侧向荷载-位移反应,通过与已有试验结果、不考虑钢筋滑移效应的纤维模型计算结果及考虑钢筋滑移效应的零长度纤维模型计算结果进行对比分析,验证了本文模型的精度和可靠性,并对其适用范围进行了讨论。结果表明,基于本文钢筋本构的纤维模型可以更为准确地计算RC柱的荷载-位移曲线,且能够考虑由钢筋滑移变形引起的柱顶附加水平位移。     

钢筋套筒灌浆连接性能试验研究及筒壁应力分析

完成了12个钢制套筒灌浆连接件的拉拔试验,系统研究了其破坏过程与破坏形态、荷载-位移曲线、套筒应变等,重点分析了锚固长度、钢筋直径对筒壁应力的影响。运用厚壁圆筒理论,明确套筒灌浆连接件中钢筋与灌浆料以及套筒之间的传力过程,并基于轴向拉力建立了筒壁纵、横向应力的计算模型。研究表明:套筒灌浆连接件破坏过程分为弹性、屈服、强化、颈缩四个阶段,屈服强度和极限强度与钢筋材性相近。随钢筋锚固长度增加,筒壁应力略有减小,且随着钢筋直径增加,筒壁的应力明显增大。同时,建议筒壁应力计算值与试验值吻合较好,可为钢筋套筒灌浆连接设计与研究提供借鉴。     

重复荷载下钢筋与混凝土粘结本构关系

重复荷载下粘结滑移本构关系是结构疲劳计算和有限元分析的基本关系之一。该文通过23 个试件静载和重复荷载下的拉拔试验对钢筋滑移量、粘结滑移基本关系、粘结应力形状函数、粘结疲劳破坏准则进行了全面深入的研究。首先根据加载端峰值滑移量和残余滑移量发展规律得出了计算公式;接着利用粘结滑移变化规律提出了考虑残余滑移、应力水平和循环荷载次数的幂函数形式粘结本构关系;运用沿钢筋埋长范围内应变变化得出了疲劳破坏三阶段粘结应力形状函数;最后基于重复荷载下发生粘结疲劳破坏的条件是滑移量增加到静载下的最大滑移量的基本准则,理论推导了粘结疲劳寿命方程。研究表明:当粘结疲劳没有发生时,重复荷载下极限粘结强度及最大滑移量并不受重复次数的影响。研究结果为理论分析重复荷载下受弯构件裂缝宽度、锚固长度、刚度、塑性铰转动问题等提供了依据和方便。     

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。     

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。     

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。     

Tests on GFRP Pultruded Profiles with Channel Section Subjected to Web Crippling

This paper presents an experimental investigation on the web-crippling behavior in glass fibre reinforced polymer (GFRP) pultruded profiles with channel section. A main bending main crack on the web is the main failure mode in the test. The effects of the loading positions, the supporting conditions and bearing lengths on the web crippling behavior of GFRP pultruded profiles with channel section are discussed. Specimens with interior bearing load have higher ultimate strength and all the specimens with loading conditions IG reached the highest ultimate strength but all ruptured. Ultimate strengths of GFRP pultruded profiles with channel section can not be enhanced by increasing the length of the bearing plate. Finite element models were developed to numerically simulate the test results in the terms of ultimate loads, failure modes and load-displacement curves. Based on the results of the parametric study, a number of design formulas are proposed in this paper to accurately predict web crippling ultimate capacity of pultruded GFRP channel sections under four loading and boundary conditions.     

Bond behavior of GFRP and steel bars in ultra-high-performance fiber-reinforced concrete

The bond behavior of glass fiber-reinforced polymer (GFRP) and steel bars embedded in ultra-high-performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC) was investigated according to embedment length and bar diameter. Post-peak bond stress-slip softening curve of the GFRP bars was obtained, and a wedging effect was quantitatively evaluated. Test results indicated that a normalized bond strength of 5 was applicable for steel bars embedded in UHPFRC, and the development lengths of normal- and high-strength steel bars were determined to be 2 and 2.5 times the bar diameter, respectively. The GFRP bars exhibited approximately 70% lower bond strength than the steel bars, and the bond stress additionally applied by the wedging effect increased almost linearly with respect to the slip. Based on dimensionless bond stress and slip parameters, an appropriate theoretical model for the bond stress and slip relationship of steel bars in UHPFRC was suggested, and it was verified through comparison with the test data.     

全玻璃纤维增强树脂筋混凝土电缆排管的抗弯试验

提出了采用全玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）筋混凝土电缆排管代替传统的钢筋混凝土电缆排管,该结构形式具有减少能耗的优点。通过对小尺寸和足尺GFRP筋混凝土电缆排管试件进行抗弯性能试验,研究其抗弯能力、变形及破坏特征等。试验结果表明,GFRP筋混凝土电缆排管具有与普通钢筋混凝土梁相似的力学特征,以混凝土开裂为分界点,位移-荷载曲线表现为双线性,排管侧面拉应力分布不均匀,部分区域出现了较高拉应力。提出了GFRP筋混凝土电缆排管的抗弯设计计算方法,理论计算结果与试验测试结果较为吻合。     

玻璃纤维增强树脂复合材料管-钢筋/混凝土空心构件抗弯性能

为研究玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管-钢筋/混凝土空心构件的抗弯性能,编制了受弯构件的非线性分析程序,系统地分析了空心率、配筋率、GFRP管管壁厚度及混凝土强度等级等主要参数对其抗弯性能的影响,并通过试验对所编制的程序进行验证,最后建立适用于GFRP管-钢筋/混凝土空心构件的抗弯承载力计算公式。结果表明:利用编制的受弯构件非线性分析程序与建立的抗弯承载力公式,计算结果与试验结果均吻合较好,抗弯承载力随空心率的减小、配筋率的提高、GFRP管管壁厚度的增加及混凝土强度的增大而增加,空心率对构件抗弯承载力影响最大,其次是配筋率和GFRP管管壁厚度,最后是混凝土强度等级,空心部分半径比在0.25~0.5为宜,可以适当提高配筋率、GFRP管管壁厚度或混凝土强度等级来弥补该空心构件抗弯承载力,研究结论可为该结构在实际应用中提供参考依据。      

基于套管屈曲约束的拉挤型GFRP管轴压性能

为解决复合材料空间桁架结构部分关键压杆失稳引发的连续性倒塌问题,提出了一种由不锈钢套管及螺栓连接系组成的玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管整体失稳套管屈曲约束装置。为分析该套管屈曲约束装置对拉挤型GFRP管轴压性能的影响,对3个GFRP管试件和4个套管屈曲约束GFRP管试件进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,对比研究了两者的极限承载力和破坏模式,同时利用有限元模型分析了不同内核长细比、内核与套管间隙及套管壁厚对GFRP管轴压性能的影响。结果表明:该套管屈曲约束装置能有效约束GFRP管整体失稳变形,其极限承载力和延性均得到提升,并使GFRP管从失稳破坏向材料强度破坏发展;内核长细比越大,套管屈曲约束GFRP管极限承载力相比于内核失稳临界荷载的相对提升幅值越高,约束效果越好;内核与套管间隙越大,GFRP管延性越好,但其极限承载力会降低;套管壁厚过薄会降低GFRP管极限承载力,过厚则约束效果不明显。      

全GFRP筋混凝土电缆排管的抗剪承载力

对全玻璃纤维增强聚合物复合材料（GFRP）筋混凝土电缆排管的抗剪性能进行了研究。在比较分析各国规范基础上,提出了GFRP筋混凝土电缆排管的抗剪设计计算方法。通过小尺寸和足尺GFRP筋混凝土电缆排管试件抗剪试验,得到了裂缝开展模式、截面应变分布规律及荷载挠度曲线,揭示了其破坏机制。试验结果表明,抗剪承载力均随面积配箍率和纵筋配筋率增加而增加。配箍率过小时,箍筋作用可忽略。纵筋配筋率较小时,构件仍具有较高的抗剪承载力。所提出的建议公式能满足电缆排管设计中安全性和经济性的要求。     

GFRP筋与自密实混凝土黏结性能的试验研究

为了研究玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋与自密实混凝土(SCC)的黏结性能,制作了66个GFRP/SCC试件进行中心拉拔试验,研究SCC混凝土保护层厚度、GFRP筋直径和黏结长度以及SCC中添加纤维种类等因素对两者黏结性能的影响,并对试件的破坏形式进行分析。结果表明:试件主要出现了三种破坏形式,即劈裂破坏、拔出破坏、拔出带缝破坏;通过电镜扫描发现SCC浇筑方向对GFRP筋与SCC黏结界面的结构有一定影响,GFRP筋上部界面与SCC黏结更紧密。当SCC保护层厚度由4D增大至7D时,黏结强度提高了约44.05%;当GFRP筋黏结长度由5D增大至15D时,黏结强度降低了约65.43%;当GFRP筋直径由12 mm增大至16 mm时,黏结强度降低了约22.57%;SCC中添加聚丙烯纤维、钢纤维、聚丙烯纤维+钢纤维的试件黏结强度比不添加纤维的试件黏结强度分别提高12.80%、15.16%、15.09%。可以通过适当增加SCC保护层厚度、在SCC中添加纤维等措施来提高GFRP/SCC试件的黏结强度。