极地低温下CFRP筋与混凝土的黏结性能

开展了碳纤维增强聚合物(CFRP)筋-混凝土试件的拉拔试验,考虑混凝土强度、CFRP筋直径、黏结长度、保护层厚度等参数,分析了极地低温对CFRP筋与混凝土黏结性能的影响规律.结果 表明:与常温相比,极地低温降低了CFRP筋与混凝土的黏结性能,但在18～-80℃范围内,随着温度的降低,其黏结强度并非呈现单一趋势的变化规律;随着CFRP筋直径和黏结长度的增加,CFRP筋与混凝土的黏结强度呈降低趋势,提高混凝土强度或增大保护层厚度将提高其黏结强度;极地低温条件下CFRP筋与混凝土的黏结界面趋于脆性,易发生突然且随机的界面破坏,而不易发生混凝土的劈裂破坏.     

螺纹GFRP筋与混凝土黏结性能试验与理论计算

为研究螺纹玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋与混凝土界面的黏结性能,选用不同直径的GFRP筋材制备3组拉拔试件,标准养护28 d后开展中心拉拔试验.试验结果表明:GFRP筋与混凝土的黏结强度随其直径的增大而增大,拉拔试件的破坏模式和黏结应力-滑移曲线也随之变化;当GFRP筋直径较小(8、12 mm)时,拉拔试件主要发生筋材拔出破坏,但2种直径下的黏结应力-滑移曲线在弹性上升段后存在较大差异,直径8 mm筋材的拉拔试件呈来回波动趋势,且渐趋平缓,而直径12 mm筋材拉拔试件表现为下降后又上升的双曲线模式;当GFRP筋直径较大(16 mm)时,拉拔试件发生劈裂破坏,其黏结应力上升到最高点后迅速下降.最后,基于弹性力学厚壁圆筒理论模型,对不同直径螺纹GFRP筋的黏结破坏面夹角θ进行探讨并提出了黏结强度计算公式,通过与相关试验结果的对比分析,验证了该计算公式对发生筋材拔出破坏的情况具有非常好的预测精度.     

集束玄武岩纤维筋黏结性能试验研究

玄武岩纤维增强塑料(BFRP)筋具有轻质高强的特征,在装配式混凝土结构中较普通钢筋具有更高的抗拉强度和耐久性。为了研究装配式混凝土结构中集束BFRP筋与混凝土黏结性能,设计了36个偏心拉拔试件及6个标准拉拔试件,重点研究单根、双根、三根不同集束方式以及不同黏结长度对BFRP筋与混凝土黏结性能的影响,并与普通钢筋的相应黏结性能进行对比。试验结果表明,拉拔试件破坏形态包括拔出破坏与筋材拉断,其中拔出破坏过程可分为微滑移段、滑移段、下降段和残余段共四个阶段。相同黏结长度下,偏心拉拔试件黏结强度明显高于标准拉拔试件,其中采用钢筋时高约49.29%,采用BFRP筋时高约114.26%,在黏结-滑移曲线的下降段和残余段,二者变化趋势基本相同;相同黏结长度下(以10倍筋材直径的黏结长度为例),三根集束BFRP筋相对单筋的黏结强度降幅达到45.43%;相同集束配筋方式下,黏结强度随黏结长度的增大而减小。     

FRP筋黏结性能影响因素灰色关联度分析

利用灰色关联度分析理论,对FRP筋黏结性能与混凝土强度、黏结长度和筋材直径三个因素的关联程度进行了分析。得出各因素对FRP筋黏结性能的影响与FRP筋种类有关,GFRP筋和BFRP筋黏结性能关联度依次为:黏结长度、筋材直径和混凝土强度,CFRP筋为筋材直径、黏结长度和混凝土强度。此外还发现,提高混凝土强度等级能有效提高普通钢筋黏结性能,但对BFRP筋、CFRP筋和GFRP筋并不适用。     

黏砂变形GFRP筋黏结性能研究

基于18个梁式试验、42个Losberg拉拔试验以及6个标准拉拔试验,对黏砂变形GFRP筋与混凝土之间的黏结性能进行了较系统的研究。研究表明:黏砂变形GFRP筋梁式试件和拉拔试件的破坏形态均可分为拔出破坏和劈裂破坏两种,黏结长度大于5倍直径的GFRP筋试件发生劈裂破坏,小于5倍直径的试件发生拔出破坏,而对于黏结长度为5倍直径左右的试件,两种破坏形态均有可能发生;GFRP筋与混凝土之间的黏结强度约为相应带肋钢筋的0.64～1.27倍;随着黏结长度和直径的增加,GFRP筋与混凝土之间的黏结强度有所降低;基于梁式试验、Losberg拉拔试验与标准拉拔试验得到的GFRP筋与混凝土之间的黏结强度无显著差异。最后,综合考虑GFRP筋直径、表面形态、黏结长度等因素影响,提出GFRP筋与混凝土之间黏结强度、锚固长度的设计建议。     

FRP筋与混凝土黏结破坏性能研究

对27个黏结试件进行拔出试验,试验参数为筋直径、黏结长度和混凝土强度。研究了FRP筋与混凝土的黏结破坏形式,试验结果表明:黏结长度较小、中等和较大时黏结破坏形式分别为筋拔出、混凝土劈裂和筋拉断破坏。混凝土强度和FRP筋直径等因素对黏结破坏形式没有直接影响。研究结果为确定FRP筋的黏结锚固长度和制定相关规范提供试验依据。     

GFRP/钢绞线复合筋黏结锚固试验研究及设计建议

GFRP/钢绞线复合筋与混凝土之间的黏结锚固是GFRP/钢绞线复合筋增强混凝土结构性能的关键问题.采用拉拔试验,参照ACI规范的试验方法,对180个混凝土拉拔试件进行试验研究,测定每个试件的黏结强度、加载端滑移及自由端滑移,并计算GFRP/钢绞线复合筋的黏结一滑移关系曲线.基于肋间距、筋直径、埋置长度、混凝土强度、混凝土保护层厚度和浇筑深度等因素对黏结锚固性能的影响,通过对试验数据的统计分析,得到GFRP/钢绞线复合筋的混凝土保护层修正系数、混凝土浇筑深度修正系数及黏结滑移限值,提出GFRP/钢绞线复合筋的黏结强度计算公式和基本锚固长度的计算公式,并确定锚固长度的计算原则.试验数据及设计建议可为确定GFRP/钢绞线复合筋的混凝土保护层厚度、构建GFRP,钢绞线复合筋的黏结一滑移本构关系模型以及制定相关规范提供参考和依据.     

GFRP-钢绞线复合筋与混凝土黏结机理及强度计算模型

GFRP-钢绞线复合筋不仅抗拉强度高、耐腐蚀性好、质量小,同时具有较高的弹性模量。复合筋的高强度能否得到充分发挥,一定程度上取决于其与混凝土的黏结性能。通过15组黏结试件的拉拔试验,分析对比筋材类型、直径、钢绞线体积率、保护层厚度和混凝土强度对FRP筋与混凝土黏结强度及破坏形态的影响。结果表明:复合筋与混凝土黏结强度较GFRP筋与混凝土黏结强度有一定的提高,且随着钢绞线体积率的增加而增大,但仍低于钢筋与混凝土的黏结强度;随着保护层厚度的增加,复合筋与混凝土黏结强度逐渐增大,试件的破坏形态由混凝土劈裂转为筋材拔出;混凝土强度的提高对黏结强度的增强作用较为显著。在试验的基础上,将筋材周围的混凝土作为带裂缝的弹性体,并考虑开裂部分混凝土的残余强度,根据混凝土环向应力的分布,建立了筋材与混凝土最大黏结应力计算模型。根据该计算模型和试验结果,引入黏结应力分布系数,建立了带肋FRP筋与混凝土黏结强度的计算方法,黏结强度计算值与试验值吻合较好。     

FRP筋大型粘结式群锚体系试验研究

本文开发了一种以超高性能水泥基材料活性粉末混凝土(RPC-Reactive Powder Concrete)作为粘结介质锚固多束碳纤维增强塑料(CFRP-Carbon Fiber Reinforced Polymer)预应力筋的粘结式锚固体系。制作了一组采用9根直径12.6mm的CFRP筋作为预应力筋的CFRP筋-锚具组装件GA12-9,通过张拉试验研究了其力学性能。试验中观测了多束筋材受力的不均匀特征,最终多束筋材发生粘结破坏。研究证明,群锚试件特有的不均匀性会降低其承载能力,研究确定了承载能力折减系数。同时,本文确定了适用于单根、多根CFRP筋粘结锚固体系的粘结强度以及临界锚固长度的预测公式,与试验结果吻合良好。研究证明,采用9根抗拉强度约2300MPa的带肋CFRP筋作为预应力筋,以强度为130MPa的RPC作为粘结介质,筋材间净距设置一倍筋直径,需要25倍筋材直径锚固长度能够提供其有效锚固。     

GFRP筋与珊瑚混凝土黏结性能的试验研究

针对玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋与珊瑚混凝土间的黏结行为研究较少,进而影响到相关结构计算及性能分析等问题,开展了GFRP筋与珊瑚混凝土黏结性能的拉拔试验研究,分析了GFRP筋与珊瑚混凝土黏结破坏的受力过程和黏结-滑移曲线特征,以及相对保护层厚度、黏结长度和珊瑚混凝土材料特性等因素对GFRP筋与珊瑚混凝土黏结强度的影响.结果表明:GFRP筋与珊瑚混凝土的黏结强度能够满足一般工程需要,GFRP筋与珊瑚混凝土黏结破坏的受力过程、黏结-滑移曲线特征、黏结机理、破坏形态与GFRP筋-普通混凝土的黏结行为较为接近;各影响因素中,黏结长度、相对保护层厚度、GFRP筋直径及表面状况对GFRP筋与珊瑚混凝土黏结强度及破坏形态影响较大.     

有粘结预应力FRP筋混凝土梁抗裂计算方法

关于有粘结预应力FRP筋混凝土梁的抗裂度和裂缝宽度的计算问题,目前我国现行设计规范中尚无相关规定,ACI440.1R—06规范仅给出了非预应力FRP筋混凝土梁的最大裂缝宽度的计算方法。分别应用我国现行《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)和ACI318—05规范中适用于普通钢筋混凝土构件的抗裂度公式,计算了国内外30根有粘结预应力FRP筋混凝土梁试件的开裂弯矩。按我国《混凝土结构设计规范》计算的开裂弯矩值与试验结果吻合良好。考虑了FRP筋等效、FRP筋的粘结性能以及环氧涂层钢筋等的影响,对我国《混凝土结构设计规范》中有关受弯构件最大裂缝宽度的计算公式进行了修正。基于提出的修正公式和ACI440.1R—06规范对国内外24根有粘结预应力FRP筋混凝土梁的试验结果进行计算对比。分析结果表明,文中的计算值与试验结果更为吻合。     

地聚物混凝土与钢筋黏结性能研究

对24个钢筋-地聚物混凝土黏结试件进行中心拉拔试验,分析钢筋与地聚物混凝土的黏结 破坏机理,考察地聚物混凝土抗压和劈裂抗拉强度、钢筋类型、钢筋直径、混凝土保护层厚度 及钢筋黏结长度等因素对钢筋-地聚物混凝土黏结性能的影响,并与钢筋-普通水泥混凝土之间 的黏结性能进行比较。实验结果表明,当钢筋的黏结长度为5d时,相对保护层厚度c/d =3.67为 变形钢筋-地聚物混凝土中心拉拔试件破坏模式由拔出破坏向劈裂破坏转变的临界点;对于d=14 mm的钢筋-地聚物混凝土中心拉拔试件,9d的钢筋黏结长度可使钢筋屈服先于钢筋拔出或混凝土 劈裂发生。基于实验结果,还建立了变形钢筋-地聚物混凝土的黏结-滑移本构模型,采用该模 型计算得到的不同直径的变形钢筋-地聚物混凝土的黏结-滑移曲线与实测曲线接近。     

钢筋-地聚物混凝土黏结性能梁式试验研究

通过10根钢筋-地聚物混凝土梁式试件的拉拔试验,研究了箍筋间距、拉拔钢筋黏结长度对钢筋-地聚物混凝土黏结性能的影响。结果表明：当箍筋间距从150mm减小至100mm时,钢筋-地聚物混凝土之间的黏结强度增加较少,但是试件的延性明显提高;随着黏结长度增加,试件由黏结破坏变为受弯破坏;对于直径d=18mm的拉拔钢筋(变形钢筋),7d的黏结长度可使其在钢筋-地聚物混凝土界面黏结破坏前屈服。将试验结果与已有文献中的钢筋-普通水泥混凝土梁式拉拔试件以及钢筋-地聚物混凝土中心拉拔试件的试验结果进行比较后发现,所制备的地聚物混凝土与钢筋之间的黏结强度不低于相近试验条件下普通水泥混凝土与钢筋之间的黏结强度;采用梁式拉拔试验测得的钢筋与地聚物混凝土之间的黏结强度高于相同试验参数下采用中心拉拔试验获得的黏结强度。     

奥氏体不锈钢筋与混凝土黏结性能试验及有限元分析

通过11组33个奥氏体不锈钢筋混凝土中心拉拔试验,研究钢筋直径、保护层厚度、锚固长度、混凝土强度及配箍率对试件破坏现象、黏结应力-滑移曲线、极限黏结强度的影响,并与1组3个普通碳素钢筋混凝土试件、1组3个铁素体不锈钢筋混凝土试件进行对比,分析3种类型钢筋与混凝土黏结性能的差异。基于试验数据,统计回归出奥氏体不锈钢筋与混凝土黏结强度的计算公式。运用ABAQUS有限元分析软件,对不同锚固长度拔出试件进行非线性有限元模拟分析,并将模拟结果与试验结果进行对比分析。结果表明:奥氏体不锈钢筋与混凝土的极限黏结强度要略低于普通碳素钢筋,但略好于铁素体不锈钢筋;荷载-位移曲线和极限荷载值与试验所得结果吻合较好。     

Bond characteristics of plain and deformed bars in lightweight pumice concrete

An investigation is conducted to determine the bond characteristics of plain and deformed reinforcing bars in lightweight volcanic pumice concrete (VPC) and normal concrete (NC). VPC and NC are manufactured by incorporating crushed lightweight pumice and gravel aggregates, respectively. Bond tests are conducted on 112 pullout specimens to study the influence of type of concrete (NC or VPC), type of reinforcing bars (plain or deformed), length of embedment (l_e) and age/strength of concrete on bond strength and failure modes. The load–slip responses, failure modes and bond strengths of VPC and NC are compared at various ages ranging from 1 to 28 days. The performance of Code based and other existing bond equations in predicting bond strength of plain and deformed bars is analyzed by taking into consideration of the influence of failure modes. concrete types and embedded length.     

Deflection and crack-width prediction of concrete beams reinforced with glass FRP rods

Concrete beams reinforced with fiber reinforced polymer (FRP) bars exhibit large deflections and crack widths as compared to concrete beams reinforced with steel due to the low modulus of elasticity of FRP. Current design methods for predicting deflections at service load and crack widths developed in concrete structures reinforced with steel bars may not be used for concrete structures reinforced with FRP bars. Thus, the ACI 440 Committee has provided design guidelines for concrete beams reinforced with FRP bars. Verification of the ACI 440 methods for predicting deflections and crack widths for glass fiber reinforced polymer reinforced concrete beams are presented in this paper. In addition, improvement to the crack width equation was suggested to account for 2 layers of reinforcement. This study shows that ACI 440.1R-01 can be effectively used to predict deflections in concrete beams reinforced with FRP bars and crack width in beams with one-layer FRP bars. However, when FRP bars are placed in two layers, ACI 440.1R-01 can be used after some parameters are modified. Six full concrete beams reinforced with different GFRP reinforcement ratios were load tested and the measured deflections and crack widths were analyzed and compared with those predicted by the proposed models. The experimental results compared well with those proposed by the model.     

木材表面嵌筋黏结锚固性能试验研究

木材与钢筋之间的可靠黏结与锚固，是保证内嵌钢筋加固木柱协同工作的根本条件。为研究钢筋与木材的黏结滑移性能和锚固特性，对50个木材表面嵌筋试件进行了中心拔出试验，总结了试件的破坏形态，分析了黏结滑移曲线的分布规律。进而分析了锚固长度(80、120、160mm)、钢筋直径(16、20mm)这两个基本参数对极限荷载以及平均黏结强度的影响。试验结果表明：试件出现了4种典型的破坏形态，分别为拔出破坏、劈裂破坏、混合破坏以及剪切破坏，且黏结滑移曲线的分布与试件参数相关；随着锚固长度的增加，试件的极限荷载增加而平均黏结强度减小；随着钢筋直径的增加，试件的极限荷载增加而平均黏结强度基本不变。此外通过钢筋的内贴片方法得到了典型试件钢筋沿锚固长度的应变分布，参考既有计算方法计算并得到了黏结应力以及相对滑移量的分布规律，综合黏结应力以及滑移量的分布获得了各测点处的黏结滑移曲线。     

GFRP筋钢纤维高强轻骨料混凝土梁受弯性能试验研究

完成了9根配GFRP筋和1根配钢筋的高强轻骨料混凝土梁受弯性能试验,观察其破坏过程与破坏形态,分析了纤维掺量、纵筋类型、配筋率及纵筋直径等参数对试件承载能力、弯矩-跨中挠度曲线、裂缝宽度等受弯性能的影响,采用美国ACI 440.1R-15、中国GB 50608—2010和加拿大CSA S806-12、ISIS-M03-07等规范中的建议模型,通过开裂弯矩、承载力、挠度和裂缝宽度等参数评估了各国规范对该类构件的适用性。结果表明：随配筋率的增大,试件破坏模式依次表现为受拉破坏、平衡破坏和受压破坏,受压区破坏面贯穿骨料内部,较为光滑;掺入钢纤维能够有效抑制混凝土裂缝开展,延缓构件刚度退化,使开裂弯矩平均提高51.71%,承载力平均提高22.10%;增大GFRP筋配筋率能够提高构件刚度,但GFRP筋直径变化对试件变形及裂缝宽度无显著影响;GFRP筋梁开裂后刚度退化较配钢筋的对比试件迅速。各国规范计算结果表明：受拉破坏试件承载力计算结果较离散,且均偏于不安全;对于平衡破坏和受压破坏的试件预测结果均偏于保守,有足够安全储备。考虑轻骨料和钢纤维对构件刚度退化规律的影响,修正有效惯性矩并给出建议挠度计算模型,计算结果与试验结果吻合较好。     

Bond between carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) bars and ultra high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC): Experimental study

Carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) bars are currently used to reinforce concrete in an attempt to overcome the corrosion issue encountered with ordinary steel. In order to exploit more efficiently their tensile capacity, it is interesting to use CFRP bars as prestressing tendons. This application requires a high quality concrete matrix. The advantageous characteristics of UHPFRC, such as high strength, good ductility and durability, mean that a UHPFRC structure prestressed with CFRP bars may be lighter and require less maintenance. Since the flexural behaviour of prestressed concrete members reinforced with CFRP bars is highly dependent on the bond between the two materials, an experimental program was carried out in order to investigate the bond of CFRP bars embedded in UHPFRC. Two types of surface, smooth and sand-coated, were investigated. Pullout tests were performed to examine the effect of varying parameters such as embedment length, bar diameter and concrete age. The results clearly show that the bond strength of macroscopically smooth bars embedded in UHPFRC is close to that of sand-coated bars. It was also found that ultimate bond strength decreases with bar diameter and with embedment length. Moreover, the bond strength can be expected during early age (3 days). A post-test examination revealed that damage occurred only in the outer layers of the CFRP bars.     

Investigation on modeling parameters of concrete beams reinforced with basalt FRP bars

Fiber-reinforced polymer (FRP) bars are widely used as internal reinforcement replacing the conventional steel bars to prevent from corrosion. Among the different types of FRP bars, basalt FRP (BFRP) bars have been used in different structural applications and, herein, three already tested concrete beams reinforced with BFRP bars are analyzed using three-dimensional (3-D) finite element analysis (FEA). The beams were tested in four-point bending. In the FEA the behavior of concrete is simulated using the “Concrete-Damaged Plasticity” model offered in ABAQUS software. The research presented here presents a calibrated model for nonlinear FEA of BFRP concrete beams to predict their response considering both the accuracy and the computational efficiency. The calibration process showed that the concrete model should be regularized using a mesh-dependent characteristic length and material-dependent post-yield fracture and crushing energies to provide accurate mesh-size independent results. FEA results were compared to the test results with regard to failure load and crack patterns. Both the test results and the numerical results were compared to the design predictions of ACI 440.1R-15 and CSA S806-12, where CSA S806-12 seems to overestimate the shear strength for two beams.