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。      

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。     

地下结构抗浮

本文了地下结构抗浮的若干关键问题，如破坏形态，锚固类型，锚固段长度等；探讨了锚杆，抗拔桩抗浮的设计计算方法，给出了计算公式；最后针对广州地铁一号线东山口车站及首都机场停车楼两个工程实例做了抗浮分析。     

双向耦合地震作用下含软弱层岩质边坡锚固界面剪切作用

为研究地震作用下锚固岩质边坡锚杆-砂浆界面和砂浆-岩体界面上的剪切作用,利用FLAC~(3D)软件构建锚固含软弱层岩质边坡数值模型,对水平向和竖向地震波耦合作用下的全长黏结锚杆锚固边坡两锚固界面上的剪切作用进行了深入研究。研究结果表明:两锚固界面上的剪应力分布很不均匀,界面处于弹性变形阶段时,两峰值剪应力紧邻中性点,随锚固界面脱黏破坏的发展,两峰值剪应力不断地向锚杆两端转移;双向耦合地震波较单向和双向未耦合地震波对锚固界面剪应力影响更为显著。考虑双向地震波耦合作用的锚固边坡抗震设计更为合理。研究结果可为边坡锚固抗震设计提供参考。     

玄武岩纤维增强聚合物锚杆用于地下结构抗浮的可行性研究

随着城市地下空间开发的大规模展开,基础埋深不断增大,地下抗浮问题日益突出.抗浮锚杆因具有布置灵活、单锚受力小、工艺简单、成本较低等优势而被广泛推广.而传统的金属抗浮锚杆耐腐蚀性差,即使采用套管、涂抹防腐剂等措施,还是无法避免地铁等直流供电系统产生的杂散电流对钢筋锚杆腐蚀的影响,因此将其作为地下永久结构,显然难以保证耐久性,遂有锚杆"定时炸弹"之名.近年来,纤维增强聚合物(Fiber reinforced polymer,FRP)越来越受关注,由于其具有抗拉强度高、绝缘性好、耐腐蚀性强等优点,被认为是钢筋的最佳替代品.目前,玻璃纤维增强聚合物(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)已经应用到许多锚固工程中,而碳纤维增强聚合物(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)由于造价昂贵,在岩土工程中的应用受到制约.玄武岩纤维增强聚合物(Basalt fiber reinforced polymer,BFRP)材料的出现为地下结构抗浮提供了新思路.BFRP锚杆凭借其抗拉强度高、耐腐蚀性强、介电性能好等优点,被看作是钢筋锚杆的良好替代品.本文首先从BFRP锚杆的基本属性、作用机理及耐腐蚀性能等方面进行论述,然后分别通过室内静力锚固、动力锚固以及现场锚固试验对BFRP锚杆应用于地下结构抗浮工程中的可靠性进行分析论证,最后从经济效益出发,根据等强度原则,对BFRP锚杆性价比进行对比分析,并为BFRP锚杆在抗浮工程领域的未来发展提供了新思路.     

光纤光栅传感技术在桥梁静载试验中的应用

光纤光栅传感技术作为工程结构监测的一种全新方法,因其具有较高的性价比而备受青睐;以桥梁静载试验为例,详细介绍了光纤光栅传感原理和布设工艺;根据静载试验得出的应力应变数据对桥梁健康状况加以分析表明:光纤光栅传感技术性能稳定、数据能较好反映出实桥在荷载作用下的健康状况。     

地震作用下顺倾岩体边坡锚固界面剪切作用分析

基于FLAC 3D软件,尝试修正的cable单元建立全长黏结锚杆锚固顺倾岩体边坡数值分析模型,改进剪应力提取方法,分别模拟分析了锚杆-注浆体界面上和注浆体-岩体界面上的剪切作用及其演化。研究发现:注浆体-岩体界面上比杆体-注浆体界面上的剪应力小得多,且均以锚杆上的中性点为界方向相反,分布很不均匀,中性点附近大,锚杆两端小,随边坡地震响应增强锚固界面脱粘并向锚杆两端发展,直至全部脱粘致使锚固破坏。获得了地震波作用下边坡两锚固界面上剪应力及其分布和脱粘破坏过程,揭示了锚固界面上的剪切相互作用和锚固破坏机制,并得到了试验印证。为边坡锚固设计和施工提供了参考。     

纤维类型及取向对纤维-UHPC基体拔出性能影响研究

纤维与基体之间的粘结能力和机械锚固作用是基体将荷载传递给纤维的决定因素之一,不同类型的纤维和取向在拉拔时的受力形式和破坏形式决定试件承载能力。采用单根纤维拉拔试验探究了纤维类型、取向对超高性能混凝土(UHPC)界面拉伸性能的影响。结果表明:随着纤维取向的增加拔出荷载先增大后减小,在45°时拔出荷载达到最大值;随着纤维取向增加,纤维拔出时对基体破坏面积增大,纤维拔出时对于基体的破坏能力:波纹线>端勾型>直线型。由第一峰值荷载分析,波纹型钢纤维相比于直线型和端勾型钢纤维更容易脱黏。对纤维拔出时进行力学行为分析,波纹型钢纤维和端勾型钢纤维拔出过程中首先发生纤维屈服,随着荷载持续基体产生破坏,直线型钢纤维在拔出过程中最先发生纤维与基体脱黏。     

玻璃纤维增强聚合物复合材料筋与工程水泥基复合材料黏结性能

为了研究玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料筋和工程水泥基复合材料（ECC）黏结性能的影响因素,对42个GFRP/ECC试件进行了拉拔试验,分析了GFRP复合材料筋表面形式、直径、ECC基体强度及保护层厚度等因素对GFRP复合材料筋与ECC基体黏结性能的影响。结果表明:GFRP/ECC试件的破坏形式主要有拔出破坏、筋剥离剪切破坏、劈裂破坏三种形式。表面带肋GFRP复合材料筋黏结强度比光滑GFRP复合材料筋高约66%;当ECC保护层厚度由1.5D（D为GFRP筋直径）增大至4D时,GFRP/ECC黏结强度提高了约58%;当GFRP复合材料筋直径为12~18 mm时,GFRP/ECC黏结强度随着GFRP复合材料筋直径的增大而降低;ECC强度由33.7 MPa增大至73.3 MPa时,GFRP/ECC黏结强度增大约3倍。增加GFRP复合材料筋表面形式复杂程度,或一定程度上提高ECC基体保护层厚度、提高ECC强度等级,有助于提高GFRP复合材料筋与ECC的黏结强度。      

分布式OFBG-GFRP传感筋在粘结性能试验中的应用

提出了一种新的利用分布式OFBG-GFRP智能传感筋研究GFRP筋与混凝土之间粘结特性的方法.在OFBG-GFRP的拉挤过程中,多个串连的光栅随同母材,即GFRP筋一同拉挤成型.早期的性能试验表明OFBG-GFRP筋不仅可以作为优良的增强材料使用,还具有理想的和稳定的传感特性.对3个带有OFBG-GFRP筋的混凝土粘结试件进行了直接拔出试验,在试验中自动记录了3个试件中的14个光栅的波长变化数据,这些数据连同记录的拔出力水平一起用来研究GFRP筋与混凝土之间的粘结性能.分析结果表明,GFRP筋与混凝土之间的粘结应变沿埋置深度基本呈现倒三角分布,且随着拔出力的增大,粘结应变分布也发生较为明显的变化,记录的光栅数据也很好地印证了试验过程中发生的试验现象.试验表明,所提方法可以在不影响FRP筋与混凝土之间粘结性能的情况下展开研究.     

Analytical solution for the pull-out response of FRP rods embedded in steel tubes filled with cement grout

Fiber-reinforced plastic (FRP) tendons have been widely used for ground anchors in civil engineering. Although various pull-out tests of FRP rods from grout-filled steel tubes have been conducted to simulate ground anchors in rock, there are relatively few theoretical studies reported in the literature for this type of bonded anchorages. The intention of this paper is to present an analytical solution for predicting the maximum pull-out load of FRP rods embedded in steel tubes filled with cement grout. First, the expression of the shear stress along the thickness direction of the grout layer is obtained analytically. The tensile stress in the rod and the interfacial shear stress at the rod–grout interface are formulated at different loading stages. By modeling interfacial debonding as an interfacial shear crack, the pull-out load is then expressed as a function of the interfacial crack length. Finally, based on the Lagrange multiplier method, the maximum pull-out load and the critical crack length are determined. The validity of the proposed analytical solution is verified with the experimental results obtained from literature. It can be concluded that the proposed analytical solution can predict the maximum pull-out load of spiral wound and indented rods embedded in steel tubes filled with cement grout with reasonable accuracy. The proposed solution can be also applied in predicting the pull-out capacity of steel bars from concrete.     

Transverse load and orientation measurement with multicore fiber Bragg gratings

We demonstrate the sensitivity of Bragg gratings in a multicore fiber to transverse load. The Bragg peaks are split because of stress-induced birefringence, the magnitude of which depends upon the load and grating position relative to the load axis. Experiments show that a set of gratings in a four-core fiber can measure a load axis angle to +/- 5 degrees and a load magnitude to +/- 15 N m(-1) up to 2500 N m(-1). We consider alternative designs of multicore fiber for optimal load sensing and compare experimental and modeled data.     

Femtosecond laser-inscribed fiber Bragg gratings for strain monitoring in power cables of offshore wind turbines

A fiber Bragg grating sensor system used for monitoring the effects of strain on the power cable of an offshore wind turbine is presented. The Bragg grating structure was inscribed into coated nonphotosensitive standard telecommunication fibers using an IR femtosecond laser and the point-by-point writing technique. Because of the presence of the protective coating of the fiber, the mechanical stability of the resultant sensor device is better than that of a sensor consisting of a bare fiber. A system containing this sensing element was to our knowledge for the first time successfully installed and tested in an offshore wind turbine prototype (REpower 6M, REpower Systems, AG, Germany) in February 2010, near Ellh?ft (Germany). The fabrication process of the fiber Bragg gratings, measurement results of the online monitoring, and a comparison between the sensor signal and commonly used sensing techniques are presented.     

Damage detection in holed composite laminates using an embedded FBG sensor

This paper discusses damage detection in a holed CFRP laminate under static and cyclic loading using an embedded fiber Bragg grating (FBG) sensor. In order to detect the damage extension in the laminate, the change in the spectrum shape was measured using an embedded FBG sensor and was compared with that obtained by numerical simulation. The shape of the reflection spectrum did not change during the cyclic load test; however, it did change with increased strain in the static load test, due to damage around the hole. To clarify this difference, the polished surface of the cross section of the specimen was analyzed. Debonding was observed between the optical fiber and matrix during the cyclic load test. These results lead us to conclude that fatigue damage around a hole in a composite laminate may not be detected with an FBG sensor due to the debondings.     

埋入CFRP的FBG光纤传感器界面传递特性实验研究

埋入碳纤维复合材料（CFRP）的光纤布拉格光栅（FBG）传感器应变测量值与基体实际应变存在误差,用光纤、保护层、粘贴层和基体材料的界面传递特性来表征应变测量值可提高精度．根据弹性力学和边界条件,得出FBG应变测量值与基体材料实际应变值的关系方程,通过裸光栅直埋基体材料界面传递的特征系数,可表征和计算FBG检测应变与测点实际应变的误差及修正系数．试验结果表明：对埋入裸光栅的碳纤维复合材料同时进行电阻应变与FBG—IS波长解调试验对比,试验测量FBG应变传感灵敏系数与理论值十分接近;对埋入CFRP的FBG裸光栅,由于不存在粘贴层界面传递的影响,其应变测量值可无需修正．     

聚乙烯醇纤维改性高延性混凝土双面剪切试验及剪切韧性评价方法

为研究高延性混凝土（HDC）的剪切性能并评价其剪切韧性,设计了5组HDC试件、1组HDC基体试件（不含纤维）和1组普通混凝土对比试件,通过双面剪切试验,以纤维体积分数和HDC抗压强度为参数,分析其破坏形态、抗剪强度及峰值变形,根据试验结果提出了HDC的剪切韧性评价方法。结果表明:HDC纤维桥联作用及纤维拔出过程中吸收了大量能量,试件发生具有延性特征的剪切破坏;与基体试件和普通混凝土试件相比,HDC试件的抗剪强度和峰值变形均显著提高,其提高幅度随纤维体积分数的增加而增大;随HDC抗压强度的增大,试件抗剪强度增大,峰值变形降低;采用初始能量密度和残余剪切韧度比评价HDC的剪切韧性,其剪切韧性显著高于基体和普通混凝土。