钢筋及BFRP筋混凝土深受弯构件受剪性能及尺寸效应对比分析:试验研究

文章旨在研究并对比钢筋及BFRP筋(玄武岩纤维增强筋)混凝土深受弯构件受剪性能及尺寸效应的异同,对4根钢筋混凝土深受弯构件及4根BFRP筋混凝土深受弯构件(梁高为300~1200mm)进行了剪切破坏试验。对比分析了荷载-位移曲线、斜裂缝宽度、混凝土应变、纵筋应变及腹筋应变随结构尺寸变化的发展趋势。揭示了钢筋及BFRP筋混凝土深受弯构件抗剪强度尺寸效应规律,并分析了设计规范和计算方法的适用性。研究表明:(1)BFRP筋混凝土深受弯构件的极限荷载约为钢筋混凝土深受弯构件的0.3~0.5倍,而挠度约为钢筋混凝土深受弯构件的1.4~1.7倍;(2)梁高从300mm增至1200mm时(试验梁的水平及竖向腹筋率均为0.51%),钢筋混凝土深受弯构件的名义极限抗剪强度下降34.0%,而BFRP筋混凝土深受弯构件下降45.7%;(3)对于大尺寸构件的抗剪承载力,设计规范的计算结果安全储备不足,未能合理考虑尺寸效应;(4)提出的尺寸效应理论公式可以定量描述结构尺寸对钢筋及BFRP筋混凝土深受弯构件名义极限抗剪强度的影响。

BFRP筋与再生骨料混凝土粘结性能试验研究

为探究玄武岩纤维筋(BFRP筋)与再生骨料混凝土的粘结性能,对其进行中心拔出试验。基于试验结果,探究了其破坏形态以及粘结机理,研究再生混凝土强度等级、筋材直径和再生骨料替代率对BFRP筋和再生骨料混凝土粘结性能影响。结果表明,BFRP筋与再生骨料混凝土粘结有拔出破坏和劈裂破坏两种破坏形态;BFRP筋与再生骨料混凝土粘结滑移曲线可分为微滑移段、滑移段、下降段和残余应力段;提高再生混凝土的强度等级可以延缓混凝土内部裂缝的产生与演化,进一步提高BFRP筋表面肋与混凝土之间的机械咬合作用,增大BFRP筋与再生混凝土的粘结强度;因剪力滞后效应,BFRP筋与再生骨料混凝土的粘结强度随着BFRP筋直径的增加而降低;再生骨料替代率的增加会对BFRP筋和再生骨料混凝土的粘结应力产生不利影响。

BFRP筋回收轮胎钢纤维混凝土黏结性能分析

对玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋在回收轮胎钢纤维(RTSF)混凝土中的黏结性能进行了试验和分析研究.对不同RTSF体积掺量、BFRP筋直径和嵌入长度的试件进行了拉拔试验,研究其对黏结破坏模式、黏结滑移响应和黏结强度的影响,并提出了BFRP筋RTSF混凝土的黏结滑移理论模型.结果表明:BFRP筋RTSF混凝土黏结破坏类型包括拔出破坏、劈裂破坏以及拔出且劈裂破坏;BFRP筋直径对黏结破坏模式无显著影响,而RTSF体积掺量、BFRP筋直径和嵌入长度均对黏结强度有较大影响,且RTSF体积掺量与极限黏结强度呈正相关,BFRP筋直径和嵌入长度对其影响与之相反;当RTSF体积掺量从0增大至1.5%时,其极限黏结强度最大可提高约23.87%.与已有模型相比,所提出的黏结滑移理论模型对BFRP筋RTSF混凝土的黏结滑移曲线具有更高的拟合精度.

海洋环境下BFRP筋增强珊瑚混凝土柱抗侵蚀性能

为探究海洋环境下玄武岩纤维(Basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋的劣化机理、评估BFRP筋增强珊瑚混凝土柱抗侵蚀性的退化程度,对海水环境下BFRP筋、珊瑚混凝土进行受压性能试验。基于材性试验,对12根BFRP筋增强珊瑚混凝土柱进行轴心受压试验,并采用扫描电子显微镜(SEM)对试件破坏后其内部BFRP筋材进行微观试验,检测分析玄武岩纤维、纤维-树脂界面处的化学成分。结果表明:干湿循环条件对BFRP筋的极限承载力影响强于浸泡环境;珊瑚混凝土轴压柱破坏后,其内部筋材均发生了一定程度的腐蚀劣化,构件的承载性能很大程度取决于内部钢筋的锈蚀程度。最后,基于试验结果,分析不同海水腐蚀类别、不同腐蚀周期对构件内部BFRP筋、珊瑚混凝土微观成分的变化规律,探讨不同因素对构件耐久性能的影响机理。

海水环境下BFRP筋-海水海砂混凝土粘结耐久性

对BFRP筋-海水海砂混凝土界面粘结耐久性开展长期浸泡侵蚀试验,分析真实海水浸泡后界面粘结性能的长期退化规律,浸泡时间分别是30 d、90 d、180 d、270 d、360 d、450 d、540 d和630 d.基于拉拔试验数据,对真实海洋环境下BFRP筋-海水海砂混凝土的长期极限粘结强度保留率进行模拟预测.结果表明:在真实海水浸泡630 d后,BFRP筋-海水海砂混凝土的极限粘结强度降低了66.13%,且0~270 d退化速率明显高于270 d以后的退化速率.采用Bank模型并引入湿度修正系数,预测50 a后在海洋环境、室外环境及室内环境条件下极限粘结强度保留率分别为31.42%、57.15%和74.85%,为BFRP筋-海水海砂混凝土构件在沿海地区建筑中的应用提供参考.

BFRP筋增强生态高延性混凝土的干燥收缩性能

生态高延性混凝土(ecological high ductility concrete, Eco-HDC)具有优异的抗拉性能,可用来浇筑桥面无缝连接板。为避免Eco-HDC收缩引发的开裂问题,采用BFRP筋作为抗裂筋。为结构设计优选BFRP筋保护层厚度,从BFRP筋对Eco-HDC收缩的影响角度,研究保护层厚度对试件干燥收缩的影响,对比分析配BFRP筋与不配筋对Eco-HDC收缩性能的影响。试验结果表明:随着龄期的增加,素Eco-HDC和BFRP筋增强Eco-HDC的干燥收缩均逐渐增加,BFRP筋压应变呈增加趋势,养护1~7 d时增加趋势较为明显,之后增加趋势逐渐变缓;随着保护层厚度的减小,BFRP筋增强Eco-HDC的收缩逐渐增加,BFRP筋压应变也逐渐增大,BFRP筋的约束效果更加明显,但经历45 d后BFRP筋压应变数值差别不大。在桥面无缝连接板施工养护时应注意早龄期7 d内保湿以减少收缩;在结构设计中,优选BFRP筋保护层厚度为25 mm.

考虑骨料粒径影响的BFRP筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应

粗骨料是混凝土材料的组成之一,其粒径变化会影响混凝土梁中骨料咬合作用对抗剪承载力的贡献。为了系统地考虑最大粗骨料粒径对玄武岩纤维增强聚合物(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)筋无腹筋混凝土梁剪切破坏的影响,采用细观尺度数值模拟方法,建立BFRP筋无腹筋混凝土梁数值模型,模拟分析构件尺寸和粗骨料粒径对BFRP筋混凝土梁剪切破坏模式和抗剪强度的影响规律。结果表明:BFRP筋无腹筋混凝土梁的抗剪强度存在尺寸效应,同时,随着最大粗骨料粒径的增大,BFRP筋混凝土梁的抗剪承载力提高,梁的剪切尺寸效应被削弱。根据最大粗骨料粒径的影响机制与规律,结合断裂力学尺寸效应律,建立了BFRP筋混凝土梁抗剪强度尺寸效应理论公式,并与模拟结果和试验数据进行对比,验证了公式的准确性和合理性。

高温后BFRP筋与纤维混凝土黏结性能

为了提高高温后玄武岩纤维复合材料(BFRP)筋与混凝土的黏结性能,分别在混凝土中单独掺入玄武岩纤维及混合掺入玄武岩纤维与纤维素纤维,通过BFRP筋与混凝土中心拔出试验对BFRP筋与纤维混凝土黏结性能开展系统研究。试验参数包括温度、基体混凝土类型、BFRP筋表面形式、黏结长度与BFRP筋直径,试验获得了BFRP筋与混凝土试件的破坏形态、黏结滑移曲线、黏结强度。研究结果表明:随着温度的升高,BFRP筋与普通混凝土、单掺玄武岩纤维混凝土及混掺玄武岩和纤维素纤维混凝土的黏结强度均逐渐降低,在70~350℃之间,它们相应的黏结强度降低率分别为17.1%~48.6%,14.5%~46.8%和11.4%~48.3%。与普通混凝土相比,单独掺入0.20%体积掺量玄武岩纤维使得深肋筋、喷砂筋、浅肋筋与混凝土的黏结强度分别提升8.4%~18.8%,56.3%~99.6%和27.5%~51.8%。混掺0.15%玄武岩纤维和0.10%纤维素纤维使得深肋筋与混凝土的黏结强度提升了17.6%~35.1%。不同BFRP筋表面形式对BFRP筋与纤维混凝土黏结强度影响显著,其中深肋筋与纤维混凝土黏结强度最高。随着黏结长度和直径的增加,BFRP深肋筋与纤维混凝土黏结强度均逐渐降低。最后,考虑上述各因素,引入BFRP筋外形系数、纤维增强系数、黏结强度折减系数,提出了高温后BFRP筋与纤维混凝土黏结强度计算公式。研究成果可为FRP筋纤维混凝土结构抗火设计和火灾之后结构的安全评估提供数据和理论支持。

BFRP筋混凝土深梁动态剪切破坏尺寸效应模拟

为研究玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋混凝土深梁动态剪切破坏机制及其尺寸效应规律,考虑混凝土非均质性、混凝土/BFRP筋相互作用以及混凝土和BFRP筋在材料层面的应变率效应,建立了BFRP筋混凝土深梁细观尺度三维数值模型。利用已有的试验数据验证了该数值模拟方法的合理性和准确性,采用该方法研究了不同尺寸但几何相似的BFRP筋混凝土深梁在不同应变率下的剪切破坏模式及失效机制。分析了截面尺寸、配箍率、应变率对BFRP筋混凝土深梁剪切破坏及相应尺寸效应规律的影响。结果表明:动载下梁的破坏模式与静载时存在较大差异,但均表现出尺寸效应;增大应变率及配箍率均能有效提高梁承载力且削弱剪切尺寸效应,但应变率的作用程度明显大于配箍率。

增强箍筋区域约束BFRP筋混凝土梁的抗弯性能试验研究

将区域约束技术应用到BFRP筋混凝土梁中,并尝试利用增强的矩形螺旋BFRP箍筋约束受压区混凝土以增强受压区混凝土延性,对四根配置不同箍筋的区域约束BFRP筋混凝土梁进行抗弯性能试验。结果表明:区域约束BFRP筋混凝土梁比BFRP筋普通混凝土梁具有更高的承载能力和变形能力;通过增强的箍筋约束受压区混凝土,可以大大增加受压混凝土的抗压延性,使得使用脆性BFRP筋的混凝土梁也可以具有优良的延性性能。

BFRP筋局部钢纤维混凝土梁斜截面抗剪性能试验研究

为了研究BFRP筋钢纤维混凝土梁斜截面的抗剪性能,以BFRP筋钢纤维混凝土梁为研究对象,开展了9根BFRP筋钢纤维混凝土梁的斜截面抗剪承载力试验,分析了试验构件的破坏形态,探讨了剪跨比、BFRP筋配筋率、钢纤维体积掺量、钢纤维范围等参数对BFRP筋钢纤维混凝土梁抗剪性能的影响。结果表明,BFRP筋钢纤维混凝土梁的破坏形态以剪切破坏为主;试验梁的斜截面抗剪承载力随着剪跨比的增大而下降,随着纤维掺量和BFRP筋配筋率的增大而提高;支座以内剪跨范围设置钢纤维能够较好地改善BFRP筋混凝土梁的斜截面抗剪性能。最后,由试验数据拟合得到BFRP筋钢纤维混凝土梁斜截面抗剪承载力计算公式,公式计算值与试验结果吻合较好。研究丰富了FRP筋混凝土复合结构斜截面设计理论,对FRP筋钢纤维混凝土复合结构在实际工程的应用具有参考价值。

BFRP筋海砂再生混凝土柱轴压性能研究

通过30根BFRP筋海砂再生混凝土(Sea-sand recycled aggregate concrete,SRAC)柱的轴心受压试验,探究BFRP纵筋配筋率、BFRP箍筋间距和再生骨料取代率等因素的影响。试验发现:BFRP筋柱的破坏过程与钢筋混凝土柱较为相似。随着混凝土中再生砖骨料含量的增加,试件承载力相应降低;为提高柱承载力,当其他参数相同时,可适当提高BFRP纵筋配筋率;减小箍筋间距,试件延性明显改善,但承载力提高幅度较小。

BFRP筋碱激发海砂混凝土梁抗弯性能研究

本文提出了一种玄武岩筋碱激发海砂混凝土(BASC)梁的新型材料结构构件。为了研究BASC梁抗弯性能,制作了5根混凝土梁,研究了玄武岩筋(BFRP)配筋率和不同筋材类型对碱激发海砂混凝土(ASC)梁抗弯性能和破坏模式的影响。试验结果表明:BASC梁配筋率的提升对开裂荷载影响不大,但却能有效提高其极限荷载。以0.27%配筋率为参照组,当配筋率提高至0.48%、0.75%、1.08%时,BASC梁的极限承载力分别提高了109.46%、119.60%和189.66%。与普通钢筋相比,BFRP筋弹性模量较小,配筋率相同的情况下,普通钢筋ASC梁的开裂荷载比BASC梁大50%。本文提出了正截面抗弯承载力、最大裂缝宽度和挠度的理论计算模型,由于受到ASC中氯离子扩散的影响,需要对计算模型进行修正,拟合后BASC梁的计算值与试验值吻合较好,可为BASC梁在海洋工程中的应用提供参考。

BFRP筋和钢筋组合配筋混凝土梁受剪性能

由于纤维增强复合材料(FRP)筋优异的耐腐蚀性,使用其代替钢筋对混凝土进行补强可以从根本上解决由于钢筋锈蚀引起的耐久性问题,但目前在FRP筋混凝土构件或结构的力学性能评价上尚存在诸多亟待解决的课题。本文通过采用玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋和钢筋组合配筋的形式对补强筋的弹性模量和配筋率对混凝土梁受剪性能的影响开展试验研究,并基于试验结果对FRP筋混凝土梁受剪承载力的各国规范评价公式的评价精度进行验证分析,为合理评价FRP筋混凝土结构力学性能积累基础研究数据,提供理论支撑。

BFRP筋增强海水海砂混凝土梁的受弯性能

为推动BFRP筋海水海砂混凝土梁在实际工程中的应用,对9根配有BFRP筋、GFRP筋和钢筋的海水海砂混凝土梁进行四点弯曲试验。结果表明,增大配筋率或截面高度可提高承载力、减小挠度和裂缝宽度。相同配筋率下,直径小且分布更密的BFRP筋与混凝土的粘结性能更好,正常使用荷载和极限荷载下的裂缝宽度均减小,改善了梁的开裂性能,但其对承载力和挠度无显著影响。FRP筋海水海砂混凝土梁的极限承载力远高于钢筋混凝土梁,但其裂缝宽度和挠度均大于钢筋混凝土梁。经试验,大部分试验梁均能满足GB、ACI和CSA规范中规定的正常使用状态下的挠度和裂缝宽度要求。ACI规范对BFRP筋海水海砂混凝土梁正截面承载力的设计偏保守,最新实施的GB规范中规定的FRP筋受弯构件的正截面承载力计算公式对BFRP筋海水海砂混凝土梁有较好的适用性。

BFRP筋增强螺旋箍筋区域约束混凝土梁的抗剪性能试验研究

FRP筋可有效解决普通混凝土梁中的钢筋锈蚀问题,但是FRP筋混凝土梁的剪切破坏是脆性破坏,抗剪延性小。本文将区域约束技术应用到BFRP筋混凝土梁中,利用BFRP增强箍筋对剪压区混凝土进行约束。通过进行1根空白梁与4根约束梁的抗剪对比试验,研究约束螺旋箍筋的配箍率、剪跨比等因素对梁的极限荷载、破坏形态、延性的影响规律。研究显示在剪压区采用区域约束箍筋后,梁的抗剪延性得到明显改善,并且改变了梁的破坏形态,抗剪承载力随着剪跨比的提高而下降。

基于DIC的混凝土嵌入式BFRP筋拔出行为及黏结性能研究

基于数字图像相关(DIC)技术对混凝土内嵌入式玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋的界面黏结性能及其拔出过程开展了研究.采用数字图像采集处理技术获取了BFRP筋从混凝土表面拔出过程的应变场演变数据并计算了界面的黏结应力.结果表明:BFRP筋从混凝土表面拔出过程中,黏结应力与应变沿筋材呈现对称分布;随着拉拔荷载的增加,界面黏结应力、应变均不断增大,养护龄期为7 d的C50混凝土与BFRP筋的黏结界面在靠近加载端区域的最大应力和应变分别为3.3 MPa、0.020;与淡水河砂混凝土相比,当养护龄期达到28 d时,相同水胶比下海水海砂混凝土与BFRP筋界面黏结处的最大应力提高了19%左右;延长养护龄期可有效增大混凝土与BFRP筋的界面黏结应力;界面黏结应力和应变沿加载端到自由端呈线性下降趋势;拔出后加载端混凝土损伤严重,BFRP筋黏结段呈现部分纤维拉断剥离现象.

带锚固端BFRP筋-混凝土的粘结性能试验与本构模型研究

BFRP筋是一种可取代钢筋用于海洋工程的新型增强材料,具有广阔的应用前景。针对BFRP筋在混凝土结构中粘结强度不足的问题,采用碳纤维布锚固的方法改善BFRP筋-混凝土粘结性能,从而提高BFRP筋与混凝土的协同作用。该文通过20个中心拉拔试件,分析了碳纤维锚固长度、锚固直径及混凝土强度对试件粘结-滑移性能和破坏形态的影响。结合试验结果对现有模型的粘结特征参数进行修正,提出碳纤维布锚固条件下BFRP筋-混凝土的粘结强度计算公式,建立一种BFRP筋-混凝土粘结滑移本构模型。结果表明:碳纤维锚固端可以有效的提高粘结性能,限制混凝土开裂,提高残余粘结强度,充分发挥BFRP筋的增强作用;混凝土强度是影响锚固性能的主要因素;随着锚固长径比的提高,碳纤维的锚固性能逐渐提升。

BFRP筋部分钢纤维增强混凝土梁挠度研究

通过6根BFRP筋混凝土梁短期荷载作用下的四点弯曲试验,研究了钢纤维掺入率与钢纤维混凝土层高度对裂缝宽度、挠度以及裂缝闭合性能的影响,并对裂缝宽度、挠度以及卸载后裂缝闭性能进行了分析。研究结果表明:试验梁在极限荷载作用下,相同钢纤维掺入率下的BFRP筋部分钢纤维与全截面钢纤维增强混凝土梁所呈现出的裂缝宽度较为相近;试验梁在卸载后裂缝出现闭合,随着掺入率与钢纤维混凝土层高度的增加,裂缝的闭合性能越显著;在正常使用状态下,随着钢纤维掺入率与钢纤维混凝土层高度的增加,BFRP筋混凝土梁的抗弯性能提高明显。基于试验数据,通过修正梁截面有效惯性矩,提出适用于钢纤维作用下的BFRP筋混凝土梁的挠度计算公式,利用该计算公式得到的计算结果与试验结果进行对比,吻合效果较好。

BFRP筋混凝土桥面板受弯性能研究

为探究将BFRP筋引入到桥面板结构配筋中是否合理,分别设计相同配筋率下的普通钢筋配筋、BFRP筋配筋,以及普通钢筋和BFRP筋混合配筋的3组不同配筋形式的混凝土桥面板对比试件,对试件进行受弯性能试验研究。分析各组试件的开裂和极限荷载、裂缝开展、破坏模式、混凝土应变等。试验结果表明,同等条件下,BFRP筋混凝土桥面板较钢筋混凝土桥面板具有更大的挠度和裂缝宽度,应将挠度和缝宽作为BFRP筋混凝土结构正常使用状态下设计的重要控制指标,且含BFRP筋的混凝土桥面板结构更容易发生斜截面破坏,故该类结构应用时应加强抗剪设计。