基于数据库的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度计算方法

玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验主要研究弯折半径与直径之比对弯拉强度的影响,直线段抗拉强度对弯拉强度的影响研究较少。本文基于ACI 440.3R-12中B.5试验方法,开展3组(9个弯拉试件)不同直线段抗拉强度的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验研究。3组试件直线段抗拉强度分别为530(A组)、850(B组)和1100 MPa(C组),弯折半径与箍筋直径之比均为3。试验结果表明:所有试件均发生玻璃纤维增强复合材料箍筋弯折段被拉断的破坏模式;A、B、C组试件弯拉强度分别为325、445和530 MPa。本文系统收集了国内外已有93个弯拉试件,并结合本文9个弯拉试件建立了玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验数据库。基于数据库统计分析,提出了保证率不小于95%的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度计算方法。

玻璃纤维增强复合材料筋与超高性能混凝土之间粘结-滑移本构模型

为研究玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋与超高性能混凝土(UHPC)之间的粘结性能,故基于相关文献中153个拉拔试验和42个梁式试验的数据,系统分析了FRP筋直径、相对粘结长度、相对保护层厚度、超高性能混凝土抗压强度、FRP筋表面形态和试验方法对玻璃纤维增强复合材料筋粘结强度的影响规律,通过回归分析和区间预测提出了超高性能混凝土中玻璃纤维增强复合材料筋与粘结强度和锚固长度的计算公式。对比分析了已有FRP筋与普通混凝土之间的粘结-滑移本构模型,基于CMR模型提出了绕肋玻璃纤维增强复合材料筋与超高性能混凝土之间粘结-滑移本构模型的计算公式。上述公式计算结果与试验结果均吻合良好,并可为工程设计及后续研究提供依据。

海水环境下GFRP筋与低碱混凝土界面黏结性能研究

针对GFRP筋在低碱耐腐蚀水泥基体环境下界面黏结性能的时变规律进行研究,采用中心拉拔试验方法测定了GFRP筋-矿渣硫铝酸盐水泥(G·SAC)混凝土、GFRP筋-硅酸盐水泥(OPC)混凝土在淡水和人工海水环境下养护30 d、90 d和180 d的界面黏结强度,并利用扫描电子显微镜(SEM)及pH计分析了孔溶液浸泡后GFRP筋微观结构的劣化过程及水泥基体孔溶液pH值的变化规律。结果表明:在淡水环境下,GFRP筋-G·SAC混凝土界面黏结强度随养护时间的增加而提高,但GFRP筋-OPC混凝土的黏结强度逐渐降低;在海水环境下,G·SAC基体碱度进一步降低,且海水对其强度发展有促进作用,GFRP筋-G·SAC混凝土在海水中的黏结强度较淡水增长较快。

玻璃纤维增强塑料/钢绞线复合筋混凝土保护层厚度试验研究及设计建议

混凝土结构中玻璃纤维增强塑料(GFRP)/钢绞线复合筋的保护层厚度,对保证结构的安全性、适用性和耐久性具有重要意义。基于混杂原理,利用玻璃纤维和钢绞线研制了弹性模量高、耐腐蚀性强的GFRP/钢绞线复合筋。采用拉拔试验,对69个混凝土拉拔试件进行试验研究,测定每个试件的粘结强度。试验变量包括GFRP/钢绞线复合筋的直径、混凝土强度等级和混凝土保护层厚度。通过对试验数据的统计分析,得到了加载端、自由端粘结滑移限值以及粘结强度限值,并在此基础上确定了GFRP/钢绞线复合筋的混凝土保护层厚度的设计建议值。试验数据和设计建议可为GFRP/钢绞线复合筋的工程应用和相关规范的制定提供参考和理论依据。

考虑二阶效应GFRP筋-钢筋混合配筋柱承载力计算方法

GFRP筋-钢筋混合配筋柱在土木工程中得到大量应用,进行GFRP筋-钢筋混合配筋混凝土柱偏心受压试验研究,分析配筋面积比、偏心距、混凝土强度以及混凝土保护层厚度等参数对承载力的影响.试件的破坏形式以受压区混凝土压碎破坏为主,受压区GFRP筋鼓曲破坏晚于混凝土破坏.GFRP筋-钢筋混合配筋柱承载力较高,大于GFRP筋混凝土柱.配筋面积比、偏心距、混凝土强度等因素对承载力影响较大,混凝土保护层厚度对承载力影响较小.由于GFRP筋弹性模量较小,使得结构的刚度降低,二阶变形增大,应考虑侧移产生的二次弯矩的影响,通过增大弯矩的方式进行偏压承载力计算.采用界限曲率理论的二阶效应计算方法,引进应变修正系数,基于试验数据得到混合配筋混凝土柱二阶效应弯矩增大系数计算方法.考虑二阶效应的混合配筋偏心受压混凝土柱的承载力的计算结果与试验结果吻合较好.研究结果为混合配筋混凝土柱的工程应用提供理论依据和参考.

混凝土环境中GFRP筋性能衰退的规律及机理

为了探究玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋在模拟和真实混凝土环境中性能衰退的规律及机理,设置了碱溶液(AS)和混凝土包裹GFRP筋后置于自来水中(CS)2种侵蚀环境,采用短梁剪切法分析了GFRP筋力学性能的衰退规律,并借助扫描电子显微镜、差示扫描量热法分析了GFRP筋的微观结构和玻璃化转变温度(T_(g)).结果表明:随着温度的升高,GFRP筋层间剪切强度衰退的速率加快;GFRP筋在60℃的AS中老化183 d后层间剪切强度保留了48.6%,T_(g)降低了9.2%,部分纤维与树脂脱黏,树脂出现孔洞;相同条件下CS中GFRP筋的层间剪切强度保留了61.4%,T_(g)降低了3.4%,纤维产生浅坑.基于Arrhenius方程建立了北京地区GFRP筋的性能预测模型.

GFRP筋混凝土板在拱效应下的挠度计算

针对美国混凝土结构设计规范(ACI440.1—06)未考虑玻璃纤维复合增强塑料筋(GFRP筋)混凝土板中拱效应的作用,挠度往往被高估的问题,对17块端部受到约束的混凝土板带进行跨中集中荷载破坏性试验,以获得更准确的挠度计算方法.结果发现:试件开裂后,拱效应作用逐渐明显.挠度的变化可分为开裂前、开裂时突变和拱效应形成后3个阶段.根据17块混凝土板的试验结果和前人的试验,量化混凝土板中拱效应的影响,结合虚功原理推导出GFRP筋混凝土板的挠度计算方法.板带挠度为净跨的1/800和1/350时,根据ACI规范,按简支板计算的预测荷载为试验值的0.388和0.411倍;所推导方法预测荷载与试验值之比为0.969和1.044.推导方法的预测结果与现行规范计算值进行对比,与试验值吻合得更好。

侵蚀环境下GFRP筋力学性能退化试验

为了研究侵蚀环境下玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋的力学性能退化机理,对3种不同直径的GFRP筋进行了为期半年的溶液浸泡试验。试验采用了清水、碱溶液以及盐溶液3种侵蚀环境,在浸泡不同时间后分别对筋材进行了外观检测和力学性能试验。结果表明:不同侵蚀环境下,GFRP筋的抗拉强度在碱环境中下降最多,平均为11.44%,其次是盐环境,平均为4.59%,下降最少是清水环境,平均为4.30%;GFRP筋的剪切强度在清水、盐、碱环境中分别平均下降了23.03%,18.69%,28.28%,说明侵蚀环境对其力学性能有明显的影响;在盐环境下,直径为8,12,16mm的试样抗拉强度分别下降了3.53%,9.42%,0.82%,说明GFRP筋力学性能退化具有一定的尺寸效应;GFRP筋的剪切强度退化随浸泡时间的增加而增大,在前36d下降较快,36d后下降则趋于平缓。

冻融循环后GFRP筋与ECC粘结性能试验研究

工程用水泥基复合材料(ECC)与玻璃纤维增强复合材料(GFRP)协同工作可以有效提高结构的耐久性,但关于它们在冻融循环作用下的粘结耐久性能研究较少.通过设计9组共计42个试件,并采用快冻法研究了75次冻融循环后ECC材料与普通混凝土的质量损失率、横向相对动弹性模量及ECC与GFRP筋粘结强度的变化情况,并对试件粘结滑移曲线进行对比分析.结果表明,ECC材料的抗冻性能明显优于普通混凝土,同时75次冻融循环后,强度等级为C30与C50的ECC与GFRP筋的粘结强度分别为普通C30混凝土与GFRP筋粘结强度的3.0倍及4.3倍;将拉拔试验结果与目前国内外广泛应用的mBPE模型、CMR模型和连续曲线模型进行拟合对比,得到了mBPE模型及CMR模型相应的拟合参数和拟合相关系数,并发现CMR模型的拟合预测效果更好.

拱效应下GFRP筋对混凝土板力学性能的影响

受到外围约束的混凝土板会在内部产生拱效应,为了研究其中玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋的作用,对10块板带进行了破坏性试验,发现:板带开裂后拱效应逐渐明显,受拉区GFRP筋的作用相当于拱脚间的弹簧,筋材等效弹簧刚度增加,拱效应减弱;反之,拱效应增强.筋材配置过少或配置在板厚中间均不利于挠度和裂缝宽度控制,配筋适当时GFRP筋与拱效应共同作用,可以缩小适筋板带与超筋板带之间正常使用性能的差距,配筋情况决定裂缝分布及板带破坏模式,对极限承载力影响较小.此外,文中还对GFRP筋的作用进行了量化分析,考虑了拱效应的设计方法所预测的筋材应变比规范计算值更接近试验结果.

碱液下GFRP筋力学性能劣化模型研究

为研究碱液下玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋力学性能劣化规律,对直径为20mm和25mm的GFRP筋进行碱溶液分别浸泡30、90d和180d后的拉伸试验,得到筋体在碱液不同腐蚀时间后筋体的极限拉伸强度及弹性模量等力学性能指标;对比研究了相同直径筋体在盐溶液浸泡180d后的力学性能变化;建立了碱液下GFRP筋剩余强度衰减模型。结果表明,相同的腐蚀龄期,碱性环境对GFRP筋力学性能劣化影响高于盐环境;碱液下GFRP筋拉伸强度随浸泡时间的增长呈下降趋势,GFRP筋前期被腐蚀速率高于后期;分析修正后的碱液下筋体剩余强度衰减模型与试验结果吻合度较高。

GFRP筋与混凝土黏结性能试验研究

为研究玻璃纤维增强复合材料筋(glass fiber reinforced polymer bars,GFRP筋)与混凝土的黏结性能及破坏模式,进行了9组GFRP筋与混凝土的单向拉拔试验。试验设计中考虑了GFRP筋锚固长度、GFRP筋直径及混凝土强度的变化对GFRP筋锚固性能的影响。试验结果表明:GFRP筋与混凝土间的黏结强度随筋材锚固长度及混凝土强度的增加而显著提高;对于筋材直径为12 mm的试件,其峰值荷载由锚固长度30 mm对应的24.4 kN增加至锚固长度120 mm对应的71.5 kN;对于相同几何构造特征的试件(S-4,S-8及S-9),其峰值荷载由C30对应的55.4 kN增加至C50对应的71.5 kN;此外,试件的破坏模式随筋材直径及锚固长度的增加由筋材受拉断裂转变为筋材拔出破坏或混凝土劈裂破坏;试验所得的试件荷载-滑移曲线表现出典型的4阶段受力破坏特征,分别为微滑移段、滑移段、下降段和残余段。研究成果可为GFRP筋在混凝土结构中的应用提供参考。

GFRP筋-钢筋混杂配筋柱偏心受压裂缝形式试验研究

通过7根GFRP筋-钢筋混杂配筋混凝土柱的偏心受压试验,研究混杂柱的破坏特征和裂缝.试验结果表明,受压区混凝土被压碎是混杂配筋柱破坏形式.混杂配筋柱裂缝在试验过程中首先出现在受拉区,然后发生在侧向和压缩侧,最后受压面破裂.混杂配筋柱裂缝宽度与配筋面积比成正比,与偏心距成反比,与混凝土保护层厚度成正比,与混凝土强度成反比,混杂配筋柱开裂荷载与配筋面积比,混凝土保护层厚度和混凝土强度三者皆成正比.提出了混杂配筋柱裂缝计算方法,基于等模量换算法得到平均裂缝间距和裂缝宽度计算公式,计算值与试验值比值的均值为0.977,吻合度较好.可为GFRP筋-钢筋混杂配筋柱的实际工程应用提供参考.

盐碱和冻融环境下GFRP筋/ECC材料粘结滑移模型

粘结滑移本构模型可以反映两种材料界面协同工作的性能,国内外对于玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋/普通混凝土的粘结滑移研究较多,对GFRP筋与工程用水泥基复合材料(ECC)的研究较少,尤其是盐碱或冻融环境下。共制作了66个GFRP筋/混凝土拉拔试件,对比了普通环境、盐碱和冻融循环条件下,GFRP筋表面形式、基体类型和混凝土强度等因素变化时,试件的破坏形式、粘结机制及粘结滑移曲线的差异。研究结果表明:带肋GFRP筋/ECC试件主要发生拔出且带缝破坏;冻融循环后的带肋GFRP筋/普通混凝土试件由劈裂破坏变为拔出且带缝破坏;冻融循环使试件的粘结滑移曲线斜率变小;发生拔出破坏和拔出且带缝破坏的试件残余段曲线呈波浪式衰减,且残余应力峰值之间的滑移量约为一个肋间距。与现有粘结滑移模型进行拟合,根据拟合结果和GFRP筋/ECC材料在3种环境下实际粘结滑移特点,提出了包含参数A、B、α的粘结滑移曲线模型,与试验结果拟合相关系数R2均在0.9以上,得到参数A、B、α的取值分别集中在-0.6~0.2,-0.1~0.1和-0.6~-0.3之间。并根据不同学者的试验结果进一步验证了建议模型的可行性和普适性。