FRP筋与混凝土粘结滑移性能研究

论文摘要

近年来,在役钢筋混凝土结构的耐久性问题受到工程界的高度关注,其中钢筋腐蚀一直是传统钢筋混凝土结构的一个重要课题。为了解决这个问题,提高结构耐久性,在混凝土结构中采用高性能连续纤维与树脂结合而成的新型高性能复合筋,即纤维增强塑料筋FRP （Fiber Reinforced Polymer Bars）来替代钢筋是一个有效途径。为此,本文考虑不同参数（埋置长度、FRP筋类型、FRP筋表面形式、FRP筋直径及混凝土强度）对FRP筋与混凝土粘结性能的影响,进行了一批FRP筋混凝土立方体试件的单端拉拔试验和FRP筋内贴片试验。通过试验,研究FRP筋混凝土的受力过程和破坏模式,探讨粘结机理和影响FRP筋与混凝土粘结性能的主要因素,分析粘结滑移各基本变量（FRP筋拉应力、粘结应力、相对滑移）随埋置长度的变化规律。拉拔试验研究表明,FRP筋混凝土试件的破坏形式根据其表面的变形“肋”是否剥离断裂可以将其划分为两种形式,即：“肋”未剥离劈裂破坏和“肋”剥离断裂破坏。FRP筋与混凝土之间的粘结力主要由化学胶着力、摩擦力和机械咬合力三部分组成。FRP筋直径、埋置长度、表面形式及组成FRP筋的纤维类型是影响FRP筋混凝土粘结性能的主要因素。随着筋直径的增大,FRP筋与混凝土之间的粘结应力降低；在直径不变的情况下,FRP筋混凝土的粘结强度随FRP筋埋置长度的增加而降低。试验中采用的双交叉缠绕筋与混凝土的粘结性能比单缠绕筋与混凝土的粘结性能好,而CFRP筋与混凝土的粘结性能较其它几种类型的筋要好。粘结强度与混凝土的抗压强度的平方根或抗拉强度成正比的说法并不适用于FRP筋混凝土试件。FRP筋内贴片试验研究表明,FRP筋不同位置处的应力应变沿FRP筋长度的分布呈现非线性的趋势,而粘结应力沿埋长的分布规律与钢筋混凝土有显著的不同,这是FRP筋材料本身特性的原因造成的。本文通过对试验结果进行统计分析,建立了一种新的、分段式、适用于FRP筋与混凝土粘结性能的粘结一滑移本构关系模型。该模拟能够较为准确地模拟两者之间粘结滑移性能。利用此模型并结合其他三种不同类型的模型,对拉拔试件微分单元进行受力分析,推导FRP筋应力、粘结应力和相对滑移沿埋置长度的理论计算公式。在此基础上,推导FRP筋锚固长度限值的计算公式,并通过算例对其进行验证,结果较好。本文考虑粘结-滑移实际曲线和本文建议的本构关系曲线,对FRP筋混凝土试件进行ANSYS非线性有限元模拟,并将其与试验结果进行了对比。结果表明,利用ANSYS非线性有限元分析程序能够较为准确地反映粘结滑移真实的受力过程和粘结滑移基本变量真实的分布情况。本文探讨了FRP筋混凝土梁的破坏模式,研究梁正截面极限抗弯承载力的计算方法；以有限元理论为基础,编制了FRP筋混凝土梁非线性全过程的分析程序,对FRP筋混凝土梁进行受力过程分析。研究表明,FRP筋混凝土梁的破坏模式可以分为三类：受拉破坏、平衡破坏及受压破坏模式。根据此三类破坏模式,得到FRP筋混凝土梁正截面极限抗弯承载力的计算公式,其数值计算结果与试验结果吻合良好。参数研究表明,FRP筋混凝土梁的配筋率和混凝土是影响正截面极限抗弯承载力的重要因素。随着配筋率的增加,梁的正截面抗弯承载力也逐渐增大；混凝土强度越高,截面的开裂弯距和极限弯距也就越大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 FRP筋基本特征
• 1.3 FRP筋与混凝土粘结滑移的基本问题
• 1.3.1 粘结滑移基本概念
• 1.3.2 粘结锚固基本方程
• 1.4 FRP筋混凝土粘结滑移研究现状
• 1.4.1 FRP筋与混凝土的粘结机理
• 1.4.2 粘结强度及其影响因素
• 1.4.3 粘结锚固长度
• 1.4.4 粘结滑移本构关系
• 1.4.5 粘结滑移非线性有限元分析
• 1.5 目前存在的问题
• 1.6 本文研究内容
• 1.7 小结
• 第二章 FRP筋与混凝土粘结性能试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 FRP筋轴心拉拔试验
• 2.2.1 试验方案
• 2.2.2 试件制作及试件材料力学性能
• 2.2.3 试件量测方法
• 2.2.3.1 测试内容
• 2.2.3.2 量测方法
• 2.2.4 试验装置及加载
• 2.2.5 拉拔试验结果分析
• 2.2.5.1 受力过程分析
• 2.2.5.2 τ-s曲线
• 2.2.6 影响FRP筋与混凝土粘结性能的主要因素
• 2.2.6.1 筋直径的影响
• 2.2.6.2 埋置长度的影响
• 2.2.6.3 FRP筋表面形式的影响
• 2.2.6.4 FRP筋纤维类型的影响
• 2.2.6.5 混凝土强度的影响
• 2.3 FRP筋内贴片试验
• 2.3.1 试验方案设计
• 2.3.2 试件制作
• 2.3.3 粘结应力的计算
• 2.3.4 内贴片试验结果分析
• 2.3.4.1 FRP筋应变随荷载的变化
• 2.3.4.2 FRP筋应变和应力随埋置长度的变化
• 2.3.4.3 FRP筋与混凝土粘结应力随埋置长度的变化
• 2.3.4.4 滑移随埋置长度的变化
• 2.4 小结
• 第三章 FRP筋与混凝土粘结滑移应力分析
• 3.1 引言
• 3.2 粘结-滑移本构关系
• 3.3 考虑粘结-滑移本构关系的FRP筋粘结滑移应力
• 3.3.1 粘结-滑移微分方程
• 3.3.2 考虑粘结-滑移本构关系的微分方程解答
• 3.3.2.1 模型一-粘结滑移本构关系为改进的BPE
• 3.3.2.2 模型二-粘结应力为一常数
• 3.3.2.3 模型三-粘结滑移线性本构关系
• 3.3.2.4 模型四-粘结滑移本构关系为本文建议的模型
• 3.4 理论值与试验值对比分析
• 3.4.1 滑移随埋置长度的分布
• 3.4.2 FRP筋应力随埋置长度的分布
• 3.4.3 粘结应力随埋置长度的分布
• 3.5 锚固长度
• 3.5.1 规范方法
• 3.5.2 考虑粘结-滑移本构关系的方法
• 3.5.2.1 修正系数
• 3.5.2.2 锚固长度限值
• 3.5.3 算例分析
• 3.6 小结
• 第四章 FRP筋混凝土粘结滑移性能的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 ANSYS非线性有限元模拟方法
• 4.2.1 单元类型
• 4.2.1.1 混凝土
• 4.2.1.2 FRP筋
• 4.2.1.3 FRP筋与混凝土的粘结
• 4.2.2 材料特性
• 4.2.2.1 混凝土
• 4.2.2.2 FRP筋
• 4.2.3 粘结-滑移本构关系在ANSYS中的应用
• 4.2.4 建模与单元划分
• 4.3 拉拔试验ANSYS有限元分析
• 4.3.1 荷载-加载端、自由端滑移曲线
• 4.3.2 粘结应力峰值及相应的滑移值
• 4.4 内贴片试验ANSYS有限元分析
• 4.4.1 荷载-加载端、自由端滑移
• 4.4.2 FRP筋与混凝土的应力、应变发展
• 4.4.3 FRP筋应力分布
• 4.4.4 粘结应力分布
• 4.4.5 局部滑移分布
• 4.5 小结
• 第五章 FRP筋混凝土梁抗弯承载力理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 FRP筋混凝土梁的破坏模式
• fb'>5.2.1 平衡配筋率ρ_fb
• 5.2.2 破坏模式
• 5.3 FRP筋混凝土正截面极限抗弯承载力
• 5.3.1 配筋率影响系数
• 5.3.2 单筋矩形截面的抗弯承载力
• 5.3.2.1 基本假定
• 5.3.2.2 受拉破坏
• 5.3.2.3 受压破坏
• 5.4 FRP筋混凝土梁抗弯承载力数值模拟
• 5.4.1 弯距-曲率关系曲线
• 5.4.1.1 基本假定
• 5.4.1.2 本构关系
• 5.4.1.3 变形（几何）条件
• 5.4.1.4 平衡方程
• 5.4.1.5 弯矩-曲率关系曲线的数值算法
• 5.4.2 荷载-位移关系曲线
• 5.4.3 数值模拟结果及讨论
• 5.4.3.1 简支梁算例验证
• 5.4.3.2 配筋率对弯距-曲率关系的影响
• 5.4.3.3 混凝土强度对弯距-曲率关系的影响
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.1.1 粘结滑移试验研究
• 6.1.2 粘结滑移理论研究
• 6.1.3 粘结滑移ANSYS数值模拟
• 6.1.4 FRP筋混凝土梁的研究
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文
• 附录A
• 附录B
• 附录C