FRP筋范文

FRP筋范文（精选5篇）

FRP筋 第1篇

1 混凝土结构目前存在的问题

传统的混凝土结构配有非预应力钢筋和预应力钢筋。这些钢筋最初是通过混凝土的碱性来抵抗腐蚀的, 从而保证了建筑物的耐久性和适用性。对于众多处于恶劣环境中的结构来说, 例如暴露在除冰盐、温度、湿度、氯等联合作用下的水下结构、桥梁和停车库, 这些因素降低了混凝土的碱性, 导致了普通钢筋和预应力钢筋的腐蚀。腐蚀过程最终使得混凝土产生退化, 适用性降低。为了解决腐蚀问题, 专家们求助于另外一种金属钢筋, 如环氧涂层钢筋。尽管在某些情况下这种方法是有效的, 但是它终不能消除钢筋腐蚀的问题。

2 FRP筋的发展现状

2.1 FRP筋混凝土结构的耐久性

常温下抗腐蚀是FRP筋相对钢筋的最大优点之一, 而在更恶劣的环境条件下, FRP筋混凝土结构耐久性的研究是利用纤维筋取代钢筋所需研究的一个重要问题之一。为了研究FRP筋混凝土结构的耐久性, 美国的Hamid.Saadatmanesh等人研究了直径为10 mm的AFRP筋在不同温度下的空气、碱性、酸性和盐溶液中的应力松弛, 常温空气下的疲劳和常温下的空气、碱性、酸性和盐溶液中的徐变性能[9]。由试验结果可知:1) 应力松弛 (0年～50年) :a.AFRP筋的应力松弛随温度升高而增大;b.AFRP筋在空气中的应力松弛要比在溶液中的小, 在酸溶液中的应力松弛最大;c.纤维筋的应力松弛随最初的预应力水平的增大而增大。2) 疲劳 (荷载循环300万次) :a.应力范围在58 MPa～116 MPa, 最小应力小于纤维筋极限抗拉强度的50%时, AFRP筋表现出良好的抗疲劳性能;b.随应力范围和最小应力的增大, AFRP筋的抗疲劳性能降低。3) 徐变 (在大小为纤维筋短期极限抗拉应力的40%的持续荷载作用下) :AFRP筋的徐变性能在酸性溶液、碱性溶液和空气中依次提高。本试验表明AFRP筋在酸性环境下耐久性差, 但好于钢筋的耐久性。我们需要进一步研究纤维筋更长时期和直接与化学溶液接触的应力松弛、疲劳和徐变特性。美国的Rajan.Sen等人对预先开裂 (模拟实际情况) 的AFRP筋预应力混凝土梁暴露在干湿 (潮汐) 和热冷循环条件下达33个月的耐久性进行了研究[5]。试验表明:1) AFRP筋与混凝土的粘结在干湿和热冷循环条件下非常脆弱。2) AFRP筋预应力混凝土梁的极限承载力基本随暴露时间的增长而逐渐减小, 减小幅度可达55.3%。3) 证明了由于芳纶纤维吸收水分而产生膨胀, 引起的环向应力导致AFRP筋与混凝土的粘结破坏。由试验可知FRP筋预应力混凝土结构在干湿和温差大的环境条件下的耐久性较差, 但这个试验结果只适合本试验的试验条件, 同时, 由本试验可知FRP材料对环境条件很敏感, 因此我们需要进一步研究在实际环境条件下FRP筋预应力混凝土结构的耐久性。

2.2 FRP筋混凝土结构的延性

由于纤维筋的高抗拉强度和应力—应变的线性关系, 导致FRP筋混凝土结构的延性差、破坏呈明显脆性, 这是FRP筋混凝土结构的最大缺陷, 延性问题是FRP筋能否得到广泛应用所需解决的根本性问题之一。美国的Win.Somboonsong等人使用一种基于建筑的纤维设计新方法[6], 通过材料的混杂, 使FRP筋能够具有确定的屈服点、高初始弹性模量和高极限应变等延性优点, 同时, FRP筋的高强度、耐腐蚀和质轻的优点继续保持。混杂纤维筋的制作过程:1) 编织, 使用一台循环的编织机。混合纤维筋的成分包括轴丝、配丝、肋丝和编织丝, 每种丝都由各种纤维材料混合组成;2) 涂树脂, 提高纤维的湿度和缩短烘干时间;3) 定型, 确保纤维筋横截面的形状;4) 烘干;5) 拉伸;6) 切割。试验表明:通过新的设计方法制造的混合纤维筋具有良好的延性。这种延性混合纤维筋的研究对纤维筋的推广应用具有广泛的工程意义, 同时, 这种设计理念也为我们进一步改善纤维筋的延性提供了方向。

2.3 FRP筋预应力加固混凝土结构的特性

对于大部分旧混凝土结构, 特别是桥梁、停车场等, 由于使用功能的改变, 结构要求的提高, 原设计中的缺陷, 结构在使用过程中的损坏等原因, 同时, 为了达到经济优化的原则, 我们需要对旧混凝土结构进行修复和加固。一个有效的修复和加固的方法就是对结构物进行外部预应力加固, 外部加固具有施工方便和便于对外部筋进行监测的优点。以前外部筋都采用钢筋, 因为它具有良好的延性, 但由于裸露在外面, 容易腐蚀, 需要长期的养护, 不够经济。最近人们常采用FRP筋作为外部筋, 尽管它延性较差、弹性模量较低, 但它具有强度高、质量轻和抗腐蚀等优点, 同时, 在外部预应力加固时, 外部筋承受的应力较小 (远低于纤维筋的极限承载力) , 且低弹性模量有助于降低预应力损失, 因此, 利用FRP筋对旧结构物进行外部预应力加固是结构加固的发展方向。

3 前景

对于新建FRP混凝土结构, 还需要研究FRP筋与混凝土的粘结性能及FRP混凝土结构的耐久性, 其中混凝土强度等对FRP筋与混凝土粘结性能的影响规律、FRP筋在酸性环境下的耐久性、干湿及冻融循环对粘结性的损伤机制及抗老化规律、混合纤维筋的延性是研究的重点内容。对于FRP筋预应力加固混凝土结构, 需要研究外部FRP筋的弹性模量、数量和布置方式对加固效果的影响规律和FRP筋预应力加固混凝土结构的抗疲劳特性, 同时, 需要进一步完善外部FRP筋的预应力锚固技术。

参考文献

[1]于清.FRP的特点及其在土木工程中的应用[J].哈尔滨建筑大学学报, 2000 (3) :27-28.

[2]赵彤.应用碳纤维布增强钢筋混凝土柱抗震能力的研究[J].地震工程与工程震动, 2000 (7) :52-53.

[3]薛伟辰.FRP板加固混凝土结构研究进展[J].玻璃钢/复合材料, 2004 (4) :36.

[4]中国工程建设标准化协会标准.碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程[S].

[5]姚谏.FRP复合材料加固混凝土结构新技术研究进展[J].科技通报, 2004 (3) :6.

[6]汪晓明.FRP加固钢筋混凝土板的分析与设计[J].结构工程师, 2004 (7) :14-15.

[7]朱正伟.体外预应力技术在桥梁加固中应用的思考[J].重庆建筑大学学报, 2005, 27 (2) :46-50.

[8]王景全.体外预应力加固方法与软件设计[J].工业建筑, 2005, 35 (1) :79-81.

[9]Hamid Saadatmanesh.Long-Term Behavior of Aramid FiberRein-forced Plastic (AFRP) Tendons[J].ACI Materials Journal, 1999, 96 (3) :297-305.

FRP筋 第2篇

普通混凝土有抗拉强度低、韧性差和开裂后裂缝宽度难以控制等缺点。为克服这些缺点，学者们研究出了聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土等。

工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，简称ECC)是以水泥、砂浆和细骨料为基体，以金属纤维、合成纤维或天然有机纤维为增强材料，使用常规的搅拌和加工工艺便可成型的建筑材料[1]。该材料最早由密歇根大学的Li教授和麻省理工大学的Leung教授采用细观力学和断裂力学基本原理提出了基本设计理念[2]，早期用聚乙烯纤维(Polyethylene，简称PE)增强，1997年Victor C.L和Kanda等开始将PVA用于ECC，制成了聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(Polyvinyl Alcohol Eng neered Cementitous Composites，简称PVA-ECC)[3]。目前，世界各地已经建立了PVA-ECC力学性能(拉伸、压缩、剪切、疲劳及蠕变等)和物理性能(收缩、冻融及耐久性等)的数据库[4,5]。图1即为不同水泥基复合材料的压应力-应变曲线[6]。

Fischer G和徐世烺等学者对PVA-ECC进行了轴压性能研究，但高昂的价格制约了PVA-ECC在土木工程中的应用，因此，有必要研究采用价格低廉的PP(聚丙烯)纤维生产出性能优异的ECC。目前，国际上关于PP ECC的研究仅Yang.En.Hua和Li.V.C曾有提及[7,8,9]。

本研究采用表面进行了改性的PP纤维，改性的目的是通过增加表面能和粗糙度，提高其与水泥基体的化学结合能，使PP ECC的弯曲韧性和抗冲击等力学性能得到改善[10]。PP ECC在改善结构和构件的延性、承载能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性等方面具有显著的效果，与FRP筋协调工作，可克服混凝土结构的缺点。

本项目对5根PP ECC柱和1根普通混凝土柱进行了轴压试验，研究了PP ECC轴压短柱的力学性能，并与普通混凝土试件进行了对比，对PP ECC轴压柱的破坏形态、单轴抗压应力-应变曲线、横向变形系数等方面进行了分析。

1 试验概况

1.1 原材料

采用32.5级普通硅酸盐水泥;普通硅砂;自来水;Ⅱ级粉煤灰;PP改性纤维。试验用原材料的具体参数如表1、表2和表3所示。

1.2 试件设计

试件设计尺寸为150mm×200mm×800mm，纤维掺量体积率为1.5%～2%，短柱形式，试件尺寸及配筋情况如图2所示。

本次试验拟制作6根短柱，试件S1是直径为8mm的FRP筋增强PP ECC短柱;试件S2、S3、S4是直径为10mm的FRP筋增强PP ECC短柱;试件S5是直径为12mm的FRP筋增强PP ECC短柱。另外取一根直径为10mm的FRP筋增强混凝土短柱作为对比件。箍筋均采用覫6.5mm的钢筋，箍筋间距为200mm。试件具体截面尺寸、龄期、纤维掺量及纵向配筋率等参数见表4。

1.3 试件制备

先将水泥、粉煤灰、硅砂、水、纤维、高效减水剂用滚筒搅拌机搅拌均匀，再加入适量的水搅拌约2min，无明显结团后，浇注3个150mm立方体块及150mm×150mm×300mm的棱柱体试件，以分析其力学性能，同时将其浇注入模板中成型。所有试件浇注完成后用塑料薄膜密封, 不作任何养护，2d后拆模。图3为PP ECC的抗压、抗拉本构关系曲线。

试件浇注前在每根纵筋的中间部位贴应变片，再涂抹环氧树脂，然后将FRP筋固定在模具中，确保钢筋的位置正确，无倾斜现象，将搅拌好的ECC拌合物倒入模具中，轻微振捣，抹平，并用塑料薄膜覆盖。

1.4 加载方案

采用500t压力机加载，U-CAM70A数据采集设备采集试验数据，试验装置及加载设备如图4 (a)所示。

在轴压柱的轴向方向布置量程为100mm的位移计，测量短柱的纵向位移;在轴压柱正面和两侧混凝土表面的中间点分别布置横竖两个应变片，用以观测受压过程中应力应变的增长情况，如图4 (b)所示。由于试验机或试件可能产生的初始缺陷，试验时采用硅砂找平的方式降低水平缺陷带来的影响。

试验前进行预加载调整，预加荷载为计算极限荷载的15%，然后设备清零。试验加载方式在曲线上升段采用力控制，曲线的下降段采用位移控制。采用分级加载制，弹性范围内，每级荷载为预计极限荷载的1/10;当荷载达到极限荷载的60%左右时，每级荷载为预计极限荷载的1/20。接近破坏时缓慢连续加载，直至荷载下降到极限荷载的80%后，结束试验。在加载的同时采集数据，约每20kN或30kN采集一次，直至试验结束。

1.5 试验现象及破坏形态

试件S1～S5的试验现象大致相同，在加载的最初阶段没有明显变化，随着荷载的增加，轴向位移增大，当荷载达到极限荷载的50%左右时，可听到试件发出微小纤维拉拔的声音，经观察可发现非常细小的纵向裂纹，即初始裂纹。随着试验的继续进行，在初始裂纹的周围出现越来越多新的细密裂纹，这些裂纹主要产生在短柱的顶部。随着荷载的不断增大，纤维断裂发出的声音增大，并伴有较大的混凝土压碎声音。当达到极限荷载时，承载力开始下降，并伴有较大的混凝土压碎声音，构件被破坏，试验结束。由于纤维的联结作用，构件均没有任何混凝土崩出的现象。PP ECC试件加载各阶段形态如图5所示。

试件S6为FRP筋增强普通混凝土柱，试验初始阶段无明显变化。与纤维混凝土试件不同的是，S6试件开裂后裂缝迅速变大，随后开始不断有混凝土剥落，达到荷载极限后，试件已经严重破坏。试件破坏形态见图6。

2 试验结果

2.1 试件破坏形态对比

2.1.1 FRP筋增强普通混凝土柱

随着荷载的不断增大，试件的裂缝不断增大、发展，应力再增加，混凝土内裂缝形成破坏面。沿破坏面上的剪切滑移和裂缝的不断延伸扩大，使应变急剧增大，承载能力下降，试件表面出现不连续纵向裂缝，应力应变下降，剥落严重。

2.1.2 FRP筋增强PP ECC柱

FRP筋增强PP ECC短柱初始阶段没有明显变化，当荷载达到极限承载力的65%左右时，可听到微小纤维拉拔的声音，产生初裂纹;荷载继续增大，纤维撕拉的声音越来越大，初始裂纹变大，同时产生许多的相似细密裂纹;试验进行到最后阶段，试件偶尔会发出混凝土压碎的巨大声音，当荷载达到峰值荷载时，承载力稍有波动，随后开始下降，构件破坏。

2.2 荷载-应变曲线

图7给出了全部轴压试件的荷载与轴向应变(ε/με)的关系曲线。从图7 (a)可以看出，随着龄期的增长，承载力呈上升趋势，轴向应变有减小趋势，即延性呈下降趋势;从图7 (b)可以看出，纤维掺量对试件性能的影响总体不大;从图7 (c)可以看出，PP ECC柱的极限承载力比普通混凝土试件高约30%左右，轴向应变比普通混凝土试件大1倍左右，即PP ECC柱的延性明显大于混凝土试件;从图7 (d)可以看出，不同配筋率的试件，随配筋率的增加，承载力逐渐增大，延性呈缓慢下降趋势。

从图7中可以看出，PP ECC试件的极限承载力在1200～1450kN，轴向应变在8000～11000kN区间波动。从图中可以清晰地看出，PP ECC试件无论是承载力还是变形能力均比普通混凝土试件高。PP ECC的刚度比普通混凝土低，但韧性比普通混凝土高。PP ECC试件的承载力是普通混凝土试件承载力的1.3倍，极限压应变约是普通混凝土极限压应变的2.3倍。

2.3 部分横向变形系数

图8给出了部分试件受压区的横向变形系数ν(ν=εh/ε1，εh为轴压柱的横向应变;ε1为轴压柱的纵向应变)与相对荷载N/Nu的关系曲线。

由图8可见，当N/Nu在0.2～0.6范围内变化时，ν在0.2～1.25范围内变化;当N/Nu在0.6～0.8范围内变化时，ν在0.2～0.55范围内变化;当N/Nu在0.8～1范围内变化时，ν在0.2～0.3范围内变化。在试验加载初期，由于部分纤维没有受力，故ν的值较大，此时纤维的作用还没有发挥;随着加载的进行，ν逐渐变小，此时随着试件内部微裂缝的发展，PP ECC试件轴向应变开始增大，纤维开始发挥作用;当N/Nu大于0.8以后，试件内部裂缝变大，横向变形系数ν趋近于0.2～0.3，此时纤维充分发挥了联结作用。

由于试验数据存在一定的波动性，部分构件的应变片损坏。

3 结论

(1) PP ECC柱的破坏形态与普通混凝土明显不同，极限状态时，呈现多细密裂纹，未出现混凝土压碎现象。

(2) FRP筋直径为8～12mm的PP ECC短柱，在其达到峰值荷载时的轴向应变较大，通常为普通混凝土的1.8～2.3倍，极限压应变约是混凝土极限压应变的2.3倍。

(3)在试验参数范围内，承载力随配筋率的增加而逐渐提高，压应变呈下降趋势，但对延性影响不大;在1.5%～2.0%范围内，纤维的掺量对PP ECC柱的力学性能影响不大;在试验参数范围内，随着龄期的增长承载力呈上升趋势，轴向变形能力逐渐降低。

摘要：采用5根PP ECC柱和1根普通混凝土柱进行轴压试验研究, 主要研究不同龄期、纤维掺量、配筋率对轴压性能的影响。试验表明, PP ECC柱的破坏形态与普通混凝土明显不同, 极限状态时, 呈现多细密裂纹, 未出现混凝土压碎现象。在配筋率试验参数范围内, 承载力随配筋率增加而增加, 而延性呈缓慢下降趋势。随着龄期的增长承载力呈上升趋势, 延性呈下降趋势。

关键词：PP ECC,FRP筋,轴压,荷载-应变曲线,破坏形态

参考文献

[1]俞家欢.超强韧性纤维混凝土的性能及应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2012.

[2]徐世烺, 李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J].土木工程学报, 2008, 41 (6) :46-48.

[3]俞家欢.工程水泥基复合材料的性能与应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[4]Maalej.M., Quek.S.T.and Zhang J.Behavior of hybrid-fiber engineered cementitious composites subjected to dynamictensile loading and projectile impact.Journal of Materials inCivil[J].Engineering, 2005, 17 (2) :143-152.

[5]Yang, E.H.Designing added functions in engineered cementitious composites.PhD Thesis[D].University of Michigan, 2008.

[6]Fischer G.Deformation behavior of reinforced ECC flexuralmembers under reversed cyclic loading conditions[D].Michigan:University of Michigan, 2002.

[7]Yang.En.Hua, Li.V.C.Strain-hardening fiber cement optimization and component tailoring by means of a micromechanicalmodel, Construction and Building Materials, 2010, 24 (2) :130-139.

[8]高淑玲, 徐世烺.PVA纤维增强水泥基复合材料单轴抗压试验研究[J].混凝土与水泥制品, 2009 (6) :43.

[9]徐世烺, 蔡向荣.超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能[J].水利学报, 2009 (9) :1055-1056.

FRP筋 第3篇

有限元软件ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型具有计算准确和容易收敛的优点, 因此本文采用ABAQUS对FRP筋混凝土梁的受弯性能进行了数值分析, 并将计算结果与他人的实验结果进行对比, 验证所建立的有限元模型的正确性, 同时分析影响FRP筋混凝土梁受弯性能因素, 从而为进一步进行FRP筋的混凝土梁受弯性能的研究提供依据。

1 有限元分析

1.1 本构关系

1) 混凝土本构关系。混凝土的单轴受压应力—应变关系采用混凝土结构设计规范[6]中提供的表达式, 如下:

其中, αc为混凝土单轴受压应力—应变曲线下降段参数值, 取αc=0.74;fc, r为混凝土单轴抗压强度代表值, 其值可根据实际结构分析的需要分别取fc, fck或fcm, 本文取fck;εc, r为与单轴抗压强度fck相应的混凝土峰值压应变, 取εc, r=1 470×10-6;dc为混凝土单轴受压损伤演化参数, 按照式 (2) 取值。

混凝土单轴受拉应力—应变关系采用沈聚敏等[7] (1993) 提供的应力—应变关系, 如式 (6) 所示示::

其中, x=ε/εp, y=σ/σp, σp为峰值拉应力, σp=0.26 (1.25fc') 2/3;εp为峰值拉应变, εp=43.1σp。

2) FRP筋本构关系。FRP筋的应力—应变呈线性关系, 可表示为σf=Efεf, Ef为FRP筋的弹性模量;图1中, εfu为FRP筋的极限拉应变;ffu为FRP筋的极限拉应力;εfd为FRP筋设计拉应变;ffd为FRP筋设计拉应力;泊松比μ=0.23。

1.2 有限元模型建立

如图2所示为整体有限元模型。

1) 塑性损伤模型中参数的设定以及塑性损伤因子的确定。塑性损伤模型中塑性模块中的参数参考文献[8], 膨胀角φ=30°;流动势偏心度取程序默认值0.1;初始等效双轴抗压屈服应力与初始单轴抗压屈服应力的比值fb0/fc0取1.16;受拉、压子午线偏量第二应力不变量的比值Kc取0.666 7;粘滞系数μ=0.000 5, 虽然模型的收敛性随粘性系数的增大而提高, 但粘性系数增大会使计算精度有所降低。基于文中选用的ABAQUS塑性损伤模型, 需要计算出拉伸开裂应变εck与受拉损伤因子bt的关系和压缩非弹性应变εin与受压损伤因子dc的关系[9,10], 见式 (7) :

其中, εin=ε-σ/Ec为混凝土受压情况下的非弹性应变;εpl=bkεin, ck为混凝土拉压情况下的塑性其他应变;bk (bc, bt) 为塑性其他应变与非弹性应变或开裂应变的比例系数, 建议bc取0.7, bt取0.83;弹性模量Ec=4 730 (fc') 1/2。

ABAQUS中需要输入的材料特性参数见表1, 表2。建立模型的具体尺寸见表3。

2) 单元划分、边界条件及荷载施加方式。混凝土单元采用八节点减缩积分三维实体单元C3D8R, 钢筋采用二节点三维线性杆单元T3D2。

建立模型时需要在加载点处和支座处设置刚性垫块并用tie的连接方式与混凝土连接, 这是为了防止出现应力集中现象。由于是对梁整体建立模型, 因此将梁一端支座的1, 2, 3三个方向的自由度全部约束, 另一端支座只约束2方向的自由度。

边界条件:只约束底面中线的节点, 允许梁在荷载作用下能够发生转角位移。

加载方式:分析过程中在模型梁的1/3处以位移控制的加载方式对称加载, 荷载向节点的转移按照位移等效原则进行。

1.3 模型验证

为了验证有限元计算方法的正确性, 利用上述有限元模型, 对文献[11]进行FRP筋混凝土梁受弯性能的ABAQUS有限元分析, 并对理论计算值与实验实测值进行对比。图3~图5是本文计算的荷载—位移曲线与文献[11]的实验曲线的对比情况。

从图3~图5中可以看出本文的计算结果和文献[11]的实验结果吻合较好, 验证了有限元模型建立的正确性以及混凝土本构选取的正确性。

2 模型分析

为了进一步研究FRP筋混凝土梁的受弯性能, 本文对影响FRP筋混凝土梁受弯性能的几个主要因素进行了分析。

2.1 FRP筋配筋率的影响

从图6和图7可以看出FRP筋配筋率对梁的受力性能影响较大。随着配筋率的增大, 承载力有较大的提高。但是开裂荷载几乎没有变化, 这是因为混凝土开裂时, FRP筋的应力很小, 抗裂性能主要取决于混凝土的抗拉强度。随着配筋率的增大, 开裂后的水平段缩短, 同时刚度也有所降低, 并且配筋率大的试件降低幅度比配筋率小的试件降低幅度小。

试件 (1) BL1-1的GFRP筋的配筋率是0.315%, 试件 (2) BL1-2的配筋率是0.473%, 试件 (3) BL1-3的配筋率是0.63%。从图6中可以看出, GFRP筋混凝土梁承载力平均提高36.59%。试件 (4) TL1-1的配筋率是0.315%, 试件 (5) TL1-2的配筋率是0.473%, 试件 (6) TL1-3的配筋率是0.63%, 从图7中可以看出, CFRP筋混凝土梁的承载力平均提高26.21%。

2.2 FRP筋类型的影响

试件 (1) BL1-1和试件 (4) TL1-1为一组, 试件 (2) BL1-2和试件 (5) TL1-2为一组。这两组试件只考虑受拉筋类型这一影响因素, 除受拉筋类型不同外, 其余参数均相同。从图8, 图9可以看出FRP筋类型对FRP筋混凝土梁的受弯性能影响较大, 相同位移下试件 (4) 的承载能力比试件 (1) 平均高1.75%, 试件 (5) 的承载能力比试件 (2) 平均高1.63%。CFRP筋 (碳纤维增强筋) 混凝土梁的承载力要高于GFRP筋 (玻璃纤维增强筋) 混凝土梁, 这是因为混凝土开裂后完全由受拉筋承受拉力, 而CFRP筋的抗拉强度又高于GFRP筋。从图8, 图9中还可以看出混凝土梁都产生了较大的位移, 但是这并不影响其功能, 而且在正常使用时可以通过施加预应力等方法进行改善, 从而达到充分利用FRP筋混凝土梁高承载力的特点。

2.3 混凝土保护层厚度的影响

图10, 图11是试件 (2) (5) 只考虑混凝土保护层厚度对荷载—位移曲线的影响。从图中可以看出在荷载水平较低时, 保护层厚度对FRP筋混凝土梁受弯性能影响不大, 但随着荷载的增大, 保护层厚度大的梁变形也较大, 说明提高保护层的厚度不利于提高梁的承载力。这是因为增加保护层厚度导致截面的有效高度降低从而降低梁的承载力。由于FRP筋具有较好的耐腐蚀性的特点, 建议工程施工中在满足保护层要求的情况下尽量减小保护层的厚度, 这样有利于充分发挥FRP筋抗拉强度高的特点。

3 结语

1) ABAQUS能够正确的对FRP筋混凝土梁进行有限元分析, 计算结果与实验结果吻合较好, 荷载—位移曲线的形状与实验结果接近。验证了所建立有限元模型的正确性以及混凝土本构选取的正确性。FRP筋配筋率和类型对梁的受弯性能影响较大, 保护层厚度的影响较小。

FRP筋 第4篇

关键词：结性能,混凝土,钢筋,锈蚀,FRP筋,竹筋,拉拔试验

1 钢筋与混凝土之间的粘结

1. 1 粘结应力的定义

钢筋与混凝土两种不同性质的材料, 共同工作的基本前提是两者之间的粘结强度, 在钢筋和混凝土接触面上有变相差 ( 相对滑移) , 就会产生沿钢筋轴向方向的剪应力, 通常这种剪应力被称为粘结应力。

1. 2 钢筋混凝土的粘结机理

钢筋与混凝土的粘结作用主要由三部分组成: ( 1) 混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶着力; ( 2) 混凝土凝结硬化产生收缩将钢筋紧紧握裹而在接触面上产生的摩擦力; ( 3) 钢筋表面粗糙、凹凸不平产生的机械咬合力。其中胶着力所占的比例很小, 在发生相对滑移后就退出工作, 粘结力主要由摩擦力和机械咬合力来承担。光圆钢筋的粘结强度低, 约为 ( 1. 5 ~ 3. 5) MPa[1], 主要粘结力来自于化学胶着力和摩擦力。带肋钢筋的粘结性能比光圆钢筋的好, 虽然其化学胶着力和摩擦力都存在, 但表面凸起的肋纹与混凝土的机械咬合力是粘结力的主要来源。

1. 3 影响粘结强度的因素

影响钢筋与混凝土之间粘结强度的因素有很多, 其中主要有以下几点: ( 1) 光圆钢筋及带肋钢筋的粘结强度均随混凝土强度等级的提高而提高。 ( 2) 粘结强度与浇注混凝土时钢筋的位置有明显关系。 ( 3) 钢筋混凝土构件截面上有多根钢筋并列一排时, 钢筋之间的净距对粘结强度有重要影响。梁截面上一排钢筋的根数越多、净距越小, 粘结强度就越低。 ( 4) 混凝土的保护层厚度。 ( 5) 钢筋的种类、外形、和表面状况。带肋钢筋与混凝土之间的粘结力比用光圆钢筋时高出2 ~3 倍。 ( 6) 加载方式对粘结强度也会产生一定影响。单向受力状态下与重复加载及循环交变加载相比较, 后者的粘结强度随着反复次数的增加而降低。在反复加载的情况下, 影响试件粘结性能的主要因素有:1、加载时控制位移的幅度; 2、加载的次数; 3、钢筋的锈蚀。重复加载时混凝土中产生的微裂缝及钢筋受拉产生的裂缝, 使摩擦阻力逐渐减小, 从而导致粘结强度降低。

2 锈蚀钢筋与混凝土的粘结

2. 1 锈蚀钢筋混凝土的粘结性能研究现状

Peattie和E. L. Kemp等学者通过试验研究钢筋锈蚀后的粘结性能, 分析得到在这种情况下对粘结性能有利的结论。1990 年, Al. Sulaimanid等专家进行试验分析表明, 在钢筋锈蚀的最初阶段, 钢筋与混凝土在接触面之间的的粘结力略有提高; 随着钢筋锈蚀程度的增加, 与混凝土之间的粘结性能会大幅度的降弱。

我国专家学者也做出了很多的努力, 牛获涛学者通过对已经锈蚀的钢筋混凝土梁做了试验研究, 得出钢筋锈蚀后与混凝土粘结性能降低, 两者协同工作的能力下降。混凝土中浇注的钢筋锈蚀后, 其体积变为原本的2 ~ 4 倍[2], 增加了混凝土与钢筋接触面的摩擦力和机械咬合力, 但随着锈蚀的严重, 钢筋表面变得松散, 使得钢筋与混凝土的摩擦力减小。

2. 2 锈蚀光圆钢筋与混凝土粘结性能

随着钢筋锈蚀程度的增加, 光圆钢筋与混凝土的极限粘结强度有较大幅度的提高, 而一旦构件因钢筋锈蚀膨胀出现裂缝以后, 粘结强度立即开始降低; 在构件出现胀裂前达到光圆钢筋与混凝土的极限粘结强度值。锈蚀以后, 光面钢筋与混凝土的粘结力最大值可达到未锈蚀时的3 倍以上。

2. 3 锈蚀带肋钢筋与混凝土粘结性能

带肋钢筋与混凝土的粘结性能随着钢筋锈蚀程度的增加, 在有一定提升后就开始下降。因为钢筋表面凸起的肋纹与混凝土的机械咬合力在带肋钢筋与混凝土的粘结作用中占主导作用, 所以钢筋的表面形状起到重要的作用。在构件混凝土保护层开裂前后, 钢筋表面凸起的肋纹与混凝土的接触面积没有太大的变化, 因此混凝土是否发生裂缝, 对构件的粘结强度并没有太大的影响。

3 FRP筋与混凝土的粘结

3. 1 FRP筋的粘结机理

FRP筋与混凝土的粘结锚固性能是FRP筋替代钢筋的重要技术因素, 同时也是这两种材料组成复合结构共同受力的前提。当外荷载作用在混凝土上时, 通过FRP筋与混凝土的粘结力传递给FRP筋。FRP筋混凝土构件的粘结作用与钢筋混凝土构件的粘结作用相似, 对于光面筋拉拔力较小时, 粘结力主要由接触面的胶着力和摩擦力来承担, 当发生较大滑移时, 胶着力随即退出工作, 主要由摩擦力来承担。FRP变形筋与光面筋相比, 粘结力主要由机械咬合力来承担, 受表面形状影响较大, 把FRP筋表面做成肋形、螺纹或进行粘砂处理, 可相应的提高粘结强度。为了充分描述FRP筋与混凝土的粘结机理, FRP筋材料的各向异性不能忽略, 其导致与混凝土不同的粘结特性, 其破坏也可能是FRP筋表面变形而不是混凝土开裂引起的破坏[3]。

3. 2 粘结性能的影响因素

粘结性能的好坏主要通过粘结强度和加载端滑移的形式来表现。如果粘结强度越大, FRP变形筋与混凝土的粘结性能越好; 加载端滑移越小, FRP变形筋与混凝土的粘结性能越好。

( 1) 直径对粘结性能的影响。当直径增大时, GFRP变形筋与混凝土的粘结强度下降。原因是GFRP筋在拉拔试验中存在剪力滞后的现象, 其反应了直径对GFRP筋粘结性能的影响, 直径越大, 这种现象越明显。BFRP筋 ( 玄武岩纤维增强筋) 直径的大小对粘结强度的影响不明显。

( 2) 肋间距对粘结性能的影响。肋间距过小, 浇注在横肋间的混凝土就很少, 无法与横肋共同作用产生较大的机械咬合力, 因此在这种情况下肋间混凝土加载端发生很小的滑移即被剪碎, 粘结强度很低。肋间距过大, 浇注在肋间的混凝土就会过多, 由于肋间混凝土在GFRP带肋筋受力拔出时自身有一应力重分布过程, 因此便减缓了楔块效应的增长速度, 造成加载端滑移较大, 虽然粘结强度还在增加但在实际工程中不允许出现如此大的滑移量。

4 竹筋与混凝土的粘结

4. 1 竹筋混凝土粘结强度研究现状

国内外对竹筋混凝土的粘结强度研究较少。赵宇和吴以莉等学者通过与传统的钢筋混凝土相类似的拉拔试验, 测定竹筋混凝土的粘结强度。戚明军等学者进行了竹筋与混凝土的粘结强度试验研究, 通过对传统试验方法进行改进, 得出其强度只为钢筋混凝土粘结强度的1 /5 ~ 1 /2。总的来说, 竹筋的物理力学特性为: ( 1) 较高的抗拉强度; ( 2 ) 相对钢材有较大的强重比; ( 3) 吸震和抗震性能好; ( 4) 易加工处理。

4. 2 竹筋混凝土的粘结机理

竹筋和混凝土能共同工作的前提与钢筋混凝土共同工作的条件相似, 需具有一定粘结强度, 这使得两种不同材料在荷载作用下可以充分利用各自的特点共同受力。竹筋变形为弹性变形, 基本无塑性变形, 没有明显的屈服强度, 一旦达到极限抗拉强度就迅速破坏, 属于脆性破坏。未经防水处理的竹筋放置在混凝土内, 由于竹筋吸水膨胀, 使混凝土表面出现裂缝, 使得粘结强度降低。

竹筋与混凝土的粘结作用有两部分组成: ( 1) 混凝土凝结硬化产生收缩将竹筋紧紧握裹而在接触面上产生的摩擦力; ( 2) 竹筋节间凹凸不平与混凝土产生的机械咬合力。节间多的竹子与混凝土产生的机械咬合力要比节间少的竹子强。竹筋的粘结强度也受到许多因素的影响, 如混凝土的强度、外界温度、环境的酸碱性、竹筋的材料特性、竹筋的外形等。

5 结语

粘结力在混凝土结构中的地位十分重要, 在设计过程中要充分考虑混凝土强度、外界温度湿度、筋种的直径、筋种的外形、筋种的锚固位置和长度、混凝土保护层厚度等影响因素, 确保结构有良好的粘结性能, 共同抵抗外荷载。不同筋种与混凝土的粘结力组成基本相似, 主要有三部分; 胶着力、摩擦力和机械咬合力。

参考文献

[1]叶见曙, 李国平.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社, 2014.

[2]肖小琼.锈蚀钢筋混凝土粘结性能试验研究[硕士学位论][D].湖南:中南大学, 2011.

FRP筋 第5篇

De Lorenzis L等[7,8]又采用了一种改进的直接拉拔试件,试件形式为C形素混凝土试块,中部混凝土表层沿纵向预留方形槽。C形试块通过埋置在四角处的钢筋固定在高硬钢板上。试验中观察到4种破坏形式:①粘结剂-混凝土界面滑移破坏;②粘结剂表层劈裂破坏;③FRP筋-水泥砂浆界面失效破坏;④槽周围混凝土开裂破坏。

Blaschko M等[9]对100个表层嵌贴CFRP板条的混凝土试块进行了双剪试验。试验所选参数有粘结长度、CFRP板条种类和尺寸、混凝土强度、槽表面性状、加载模式、板条到混凝土边缘的横向距离等。试验过程中观察到3种破坏形式:①CFRP板条拉断破坏;②试件边角混凝土剥落破坏;③粘结剂层内破坏。

基于界面粘结强度试验结果和当前的研究可以得出,粘结应力失效沿着FRP筋加固粘结方向或者沿着嵌入在混凝土中的粘结聚合物的方向是不能统一假定的。但是,对于非常小的粘结长度,粘结应力失效有两个原因:其一,这是一个环氧树脂没有软化的脆性弹性材料,没有能力再分配压力。这是与水泥砂浆作为粘结材料的一个重要区别。当达到最大的断裂能量后,环氧树脂突然释放荷载导致失效。如果它是一个漫长的粘结长度的发展过程,释放出的力传送到更远的粘结区域,则在粘结的整个长度发生彻底破坏。另一个原因是由于局限性的低张力,导致混凝土与环氧树脂的粘结力失效于高强的FRP筋。

2.3 界面剪切应力的研究

沿CFRP筋嵌固区的界面剪切应力分布,是根据Maalej M等[18]提出的程序进行计算的。绘制出剪切应力峰值在不同阶段的负荷水平。结果表明,界面的剪切应力发生了显著变化,峰值应力发生在板材沿CFRP脱落的区域和在CFRP开槽点。不过,所有梁的界面剪切应力足够低,一般不导致板端的剥离和混凝土保护层的脱落。研究结果还表明,界面剪应力随荷载增加,剪应力极限值随着梁的大小和CFRP厚度的增加而增加。当粘结层的厚度与梁的尺寸不相一致,相对较大的梁而粘结层较薄,它的剪切应力峰值却较高。剪应力峰值的增加和梁的尺寸大小,可以解释剪应力的峰值随着粘结层厚度的减小而增加。界面剪切应力峰值的增加是与梁的尺寸以及应用粘贴碳纤维加固处理的增加是成比例的。

研究还发现[19,20,21],FRP筋拔出破坏时,槽尺寸对剪应力平均值没有影响;当劈裂破坏时,FRP筋-粘结剂界面上的剪应力值为控制应力,且随着槽尺寸的增加而增加。FRP筋的表面特征对粘结破坏的形式和剪应力-滑移本构关系有关键性的影响。在FRP筋试验中,随着粘结长度的增加,剪应力的增加并非与其成正比,且减小率由相应局部剪应力-滑移关系的脆性决定(该界面剪应力-滑移关系与破坏形式和相应的粘结机理相关)。

3 结语