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碳纤维预应力筋及拉索锚固系统的试验研究和理论分析

2020-12-05阅读(844)

碳纤维预应力筋及拉索锚固系统的试验研究和理论分析

论文摘要

由于高级复合材料-碳纤维增强塑料CFRP （Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastics）筋或拉索是一种横观各向同性材料,其抗剪强度与抗拉强度之比较低,导致传统的预应力筋或拉索锚具不再适用于CFRP预应力筋或拉索,否则将会由于抗剪强度过低而导致过早失效。因此,若在预应力混凝土或拉索结构中应用CFRP预应力筋或拉索,必须研制适合CFRP预应力筋或拉索的锚固系统。目前有关CFRP预应力筋或拉索锚固系统的系统研究成果及其应用仍较少,为了使其研究成果进一步完善,应用范围进一步扩大,对CFRP预应力筋及拉索的锚固系统进行系统研究具有重要的实用价值和理论意义。本文依托国家自然科学基金资助项目和教育部优秀青年教师资助基金对CFRP预应力筋及拉索的锚固系统进行了系列的试验研究和理论分析。主要的研究内容及其相应的研究成果如下:（1）开发了一种新的CFRP筋粘结式锚具,即采用活性粉末混凝土RPC（Reactive Powder Concrete）作为粘结介质的粘结式锚具。静载试验详细研究了CFRP筋在RPC中的锚固性能,试验参数包括CFRP筋的表面形状、预张拉力、锚固长度、根数、间距以及套筒内壁倾角等。试验结果表明,对于抗拉强度不大于3000MPa的表面压纹CFRP筋,RPC抗压强度不小于130MPa,普通粘结试件的临界锚固长度为20倍筋材直径;对于预张拉粘结试件,当预张比为56%时,锚固系统具有最短临界锚固长度,为13倍筋材直径。根据试验结果,建立了平均粘结强度、平均粘结强度对应的滑移量、临界锚固长度以及粘结滑移本构模型,并验证了其适用性。（2）通过试验研究得到了CFRP筋在RPC中粘结应力沿埋长分布的实测曲线,并建立了粘结应力沿埋长分布的位置函数的计算式。在试验研究的基础上,从粘结锚固性能的平衡方程、变形方程以及本构方程出发,推导了粘结应力、CFRP筋轴向应力、滑移量以及位置函数等锚固变量沿锚长分布的理论计算公式。试验结果验证了理论推导的可行性。对CFRP筋的粘结锚固变量沿埋长分布进行了预测分析及相关的参数分析。分析结果表明,对于光滑CFRP筋,当埋长在15倍筋材直径至45倍筋材直径之间时,不均性系数变化均很小,且接近1.0;对于压纹CFRP筋,当锚长小于或等于12.5倍筋材直径时,粘结应力沿埋长分布较为均匀,其不均系数在1.02～1.05之间;当埋长大于12.5倍且小于或等于临界锚固长度20倍筋材直径时,粘结应力沿埋长分布不均匀,其不均性系数在1.06～1.14之间。（3）研究了FRP筋粘结式锚具的粘结界面模型以及界面径向弹性模量,推导了受钢套筒约束的粘结介质及FRP筋在径向应力作用下的位移计算式,并验证了其可行性。然后再根据弹性应变能等效原则,得到了由径向位移表达的界面径向弹性模量的计算式。参数分析了各变量对界面径向弹性模量的影响。分析表明,当粘结介质外径大于1倍筋材直径,筋材肋间距大于1倍筋材直径,筋材肋宽大于0.5倍筋材直径,钢套筒厚度大于2.5mm时,其粘结介质RPC外径、筋材肋间距、筋材肋宽、钢套筒厚度等参数对粘结界面的径向弹性模量影响较小。在有限元数值分析时,考虑界面径向弹性模量的Bar-scale模型能够较好的预测粘结模型的径向反应。（4）传统的夹片式锚具应用于CFRP预应力筋时必须进行改进,改进后的夹片式锚具由夹片、锚杯、塑料薄膜以及薄壁铝套管等组成。试验研究锚杯长度、锚杯倾角、夹片预紧力、筋材预张拉、凹齿间距、深度和宽度以及铝套管厚度等参数对夹片式锚具极限承载力及CFRP筋和夹片的滑移量等锚固变量的影响。试验结果表明,当锚杯倾角为3°、夹片预紧力为100kN、铝片厚度为1mm、凹齿间距和深度分别为12.85mm和0.3mm时,夹片式锚具的实测极限荷载最大为185kN,相应的锚固效率系数为96.4%。锚杯环向应力和轴向应力的实测值与预测值吻合良好,验证了锚杯应力分析的可靠性。基于试验结果建立了夹片式锚具极限荷载的计算式。（5）采用ANSYS软件建立了CFRP筋夹片式锚具数值模型,该模型为轴对称模型,涉及材料非线性和接触非线性。计算终止判断依据为Tsai-Wu准则。计算结果与实测结果对比验证了数值模型的有效性。参数分析表明,各参数的最佳取值:锚杯倾角为2.5°、夹片与锚杯之间的角度差为0.1°、锚杯长度为90mm、锚具自由端处夹片端部至锚杯端部之间的距离为10mm、薄壁铝套管的厚度为1mm、夹片与锚杯之间的摩擦系数为0.03、铝套管和CFRP筋之间的摩擦系数为0.50。数值结果是试验结果有益的补充。（6）根据普通拉索锚固体系的特点,提出了锚固CFRP筋的复合式锚具。静载试验研究了锚杯长度、粘结锚固长度、夹片预紧力、筋材预张拉力等试验参数对复合式锚具的极限承载力及CFRP筋和夹片的滑移量等锚固变量的影响。试验结果表明,当锚杯长度为60mm、粘结锚固长度为100mm、夹片预紧力为60kN时,复合式锚具的极限荷载最大,其值为208kN,对应的锚固效率系数为108.2%,大于95%,满足规范要求。提出的复合式锚具极限荷载计算公式具有较好的适用性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 纤维增强复合材料及其应用
  • 1.2.1 FRP 筋或拉索的基本力学性能
  • 1.2.2 FRP 在土木工程中的应用
  • 1.3 国内外普通预应力筋及拉索锚固系统
  • 1.3.1 普通预应力筋锚固系统
  • 1.3.2 普通拉索锚固系统
  • 1.4 FRP 筋及拉索的锚固系统
  • 1.4.1 系统要求
  • 1.4.2 锚固系统的类型
  • 1.4.3 失效模式及其改进措施
  • 1.4.4 相关的研究现状
  • 1.5 粘结式锚具的锚固性能
  • 1.5.1 粘结机理
  • 1.5.2 粘结性能影响因素
  • 1.5.3 锚固长度
  • 1.5.4 粘结滑移本构模型
  • 1.6 夹片式锚具锚固原理
  • 1.6.1 顶压时锚具组装件的受力分析
  • 1.6.2 顶压完毕锚具组装件的受力分析
  • 1.6.3 锚固时锚具组装件的受力分析
  • 1.7 研究的目的和意义
  • 1.8 本文研究的主要内容
  • 1.9 技术路线
  • 第2章 粘结式锚具锚固性能的试验研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 RPC 的基本特点
  • 2.3 试验内容
  • 2.3.1 RPC 的配比及其力学性能
  • 2.3.2 CFRP 筋的力学性能
  • 2.3.3 试验参数
  • 2.3.4 试验试件
  • 2.3.5 试验装置以及加载程序
  • 2.4 试验结果及分析
  • 2.4.1 破坏形式
  • 2.4.2 表面形状和锚固长度的影响
  • 2.4.3 CFRP 筋间距的影响
  • 2.4.4 套筒内壁倾角的影响
  • 2.4.5 筋材预张拉的影响
  • 2.4.6 荷载滑移曲线
  • 2.5 粘结锚固性能理论分析
  • 2.5.1 平均粘结强度
  • 2.5.2 平均粘结强度对应的滑移量
  • 2.5.3 临界锚固长度
  • 2.5.4 粘结滑移本构关系
  • 2.6 小结
  • 第3章 粘结性能分布的试验研究及理论分析
  • 3.1 引言
  • 3.2 试验原理
  • 3.3 试验内容
  • 3.3.1 RPC 制备以及 CFRP 筋开槽
  • 3.3.2 试件制作
  • 3.3.3 加载程序
  • 3.4 试验结果及其分析
  • 3.4.1 极限荷载
  • 3.4.2 应力应变关系
  • 3.4.3 荷载滑移曲线
  • 3.4.4 粘结应力分布及其位置函数
  • 3.5 粘结性能沿埋长分布的理论推导
  • 3.5.1 粘结滑移微分方程
  • 3.5.2 上升段
  • 3.5.3 下降段
  • 3.5.4 残余水平段
  • 3.5.5 试验验证
  • 3.6 粘结锚固变量沿埋长分布的预测
  • 3.6.1 锚固变量沿埋长分布
  • 3.6.2 不均匀性系数
  • 3.7 参数分析
  • 3.7.1 混凝土抗压强度和钢套筒厚度的影响
  • 3.7.2 锚固长度和 CFRP 筋直径的影响
  • 3.7.3 弹性模量的影响
  • 3.8 小结
  • 第4章 粘结界面的径向弹性分析
  • 4.1 引言
  • 4.2 粘结界面模型
  • 4.3 Fourier-Bessel 级数的轴对称问题
  • 4.3.1 轴对称问题的基本方程
  • 4.3.2 利用Fourier-Bessel 级数求解轴对称问题
  • 4.4 轴对称问题在粘结界面模型中的解
  • 4.4.1 外侧无约束的混凝土的解
  • 4.4.2 受钢套筒约束的混凝土的解
  • 4.4.3 FRP 筋的解
  • 4.4.4 算例验证
  • 4.5 粘结界面径向弹性模量
  • 4.5.1 理论推导
  • 4.5.2 参数分析
  • 4.5.3 在有限元模型中的应用
  • 4.6 小结
  • 第5章 夹片式锚具锚固性能的试验研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 试验锚具设计
  • 5.2.1 锚杯尺寸拟定
  • 5.2.2 夹片尺寸拟定
  • 5.3 试验内容
  • 5.4 试验结果及分析
  • 5.4.1 极限荷载及破坏形式
  • 5.4.2 塑料薄膜的影响
  • 5.4.3 夹片预紧力的影响
  • 5.4.4 筋材预张拉的影响
  • 5.4.5 锥形孔倾角的影响
  • 5.4.6 锚杯长度的影响
  • 5.4.7 凹齿间距及深度的影响
  • 5.4.8 铝套管厚度的影响
  • 5.4.9 荷载滑移曲线
  • 5.4.10 锚杯应力的试验结果以及分析
  • 5.5 极限荷载的计算
  • 5.6 小结
  • 第6章 夹片式锚具的数值分析
  • 6.1 引言
  • 6.2 轴对称问题的基本理论
  • 6.3 接触问题的基本理论
  • 6.3.1 点面接触单元及其决定接触状态的Pinball 区域
  • 6.3.2 接触单元的间隙及其投影比
  • 6.3.3 法向接触力
  • 6.3.4 切向接触力
  • 6.3.5 刚度矩阵以及荷载向量
  • 6.4 弹塑性基本理论
  • 6.4.1 加载与卸载准则
  • 6.4.2 Von -Mises 准则
  • 6.4.3 强化定理
  • 6.4.4 Prandtl-Reuss 塑性流动增量理论
  • 6.4.5 增量形式的应力应变关系
  • 6.5 弹塑性接触问题有限元法
  • 6.5.1 有限元求解方程
  • 6.5.2 有限元方程的求解方法
  • 6.6 夹片式锚具轴对称弹塑性有限元分析
  • 6.6.1 数值模型的建立
  • 6.6.2 计算结果分析
  • 6.6.3 参数分析
  • 6.7 小结
  • 第7章 复合式锚具锚固性能的试验研究
  • 7.1 引言
  • 7.2 试验内容
  • 7.2.1 RPC 的配制以及CFRP 筋的力学性能
  • 7.2.2 复合式锚具试验试件
  • 7.2.3 加载程序及其装置
  • 7.3 试验结果其及分析
  • 7.3.1 破坏形式
  • 7.3.2 夹片预紧力的影响
  • 7.3.3 粘结锚固长度的影响
  • 7.3.4 锚杯长度的影响
  • 7.3.5 筋材预张的影响
  • 7.3.6 荷载滑移曲线
  • 7.3.7 应力试验结果
  • 7.4 极限荷载的计算
  • 7.5 小结
  • 结论与建议
  • 1 本文结论
  • 2 本文的创新点
  • 3 展望和建议
  • 参考文献
  • 附录A 攻读博士学位期间参加的科研项目和发表或已录用的学术论文以及批准或已申请的专利
  • 致谢

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