碳纖維預(yù)應(yīng)力筋及拉索錨固系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析.pdf

1、由于高級(jí)復(fù)合材料—碳纖維增強(qiáng)塑料CFRP(Carbon Fiber ReinforcedPolymer/Plastics)筋或拉索是一種橫觀各向同性材料，其抗剪強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比較低，導(dǎo)致傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力筋或拉索錨具不再適用于CFRP預(yù)應(yīng)力筋或拉索，否則將會(huì)由于抗剪強(qiáng)度過(guò)低而導(dǎo)致過(guò)早失效。因此，若在預(yù)應(yīng)力混凝土或拉索結(jié)構(gòu)中應(yīng)用CFRP預(yù)應(yīng)力筋或拉索，必須研制適合CFRP預(yù)應(yīng)力筋或拉索的錨固系統(tǒng)。目前有關(guān)CFRP預(yù)應(yīng)力筋或拉索錨固系統(tǒng)的系統(tǒng)研

2、究成果及其應(yīng)用仍較少，為了使其研究成果進(jìn)一步完善，應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)CFRP預(yù)應(yīng)力筋及拉索的錨固系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究具有重要的實(shí)用價(jià)值和理論意義。 本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目和教育部?jī)?yōu)秀青年教師資助基金對(duì)CFRP預(yù)應(yīng)力筋及拉索的錨固系統(tǒng)進(jìn)行了系列的試驗(yàn)研究和理論分析。主要的研究?jī)?nèi)容及其相應(yīng)的研究成果如下： (1)開發(fā)了一種新的CFRP筋粘結(jié)式錨具，即采用活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Conc

3、rete)作為粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)式錨具。靜載試驗(yàn)詳細(xì)研究了CFRP筋在RPC中的錨固性能，試驗(yàn)參數(shù)包括CFRP筋的表面形狀、預(yù)張拉力、錨固長(zhǎng)度、根數(shù)、間距以及套筒內(nèi)壁傾角等。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于抗拉強(qiáng)度不大于3000MPa的表面壓紋CFRP筋，RPC抗壓強(qiáng)度不小于130MPa，普通粘結(jié)試件的臨界錨固長(zhǎng)度為20倍筋材直徑；對(duì)于預(yù)張拉粘結(jié)試件，當(dāng)預(yù)張比為56％時(shí)，錨固系統(tǒng)具有最短臨界錨固長(zhǎng)度，為13倍筋材直徑。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立了平均粘結(jié)強(qiáng)度、平

4、均粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移量、臨界錨固長(zhǎng)度以及粘結(jié)滑移本構(gòu)模型，并驗(yàn)證了其適用性。 (2)通過(guò)試驗(yàn)研究得到了CFRP筋在RPC中粘結(jié)應(yīng)力沿埋長(zhǎng)分布的實(shí)測(cè)曲線，并建立了粘結(jié)應(yīng)力沿埋長(zhǎng)分布的位置函數(shù)的計(jì)算式。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，從粘結(jié)錨固性能的平衡方程、變形方程以及本構(gòu)方程出發(fā)，推導(dǎo)了粘結(jié)應(yīng)力、CFRP筋軸向應(yīng)力、滑移量以及位置函數(shù)等錨固變量沿錨長(zhǎng)分布的理論計(jì)算公式。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的可行性。對(duì)CFRP筋的粘結(jié)錨固變量沿埋長(zhǎng)分布進(jìn)行

5、了預(yù)測(cè)分析及相關(guān)的參數(shù)分析。分析結(jié)果表明，對(duì)于光滑CFRP筋，當(dāng)埋長(zhǎng)在15倍筋材直徑至45倍筋材直徑之間時(shí)，不均性系數(shù)變化均很小，且接近1.0；對(duì)于壓紋CFRP筋，當(dāng)錨長(zhǎng)小于或等于12.5倍筋材直徑時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力沿埋長(zhǎng)分布較為均勻，其不均系數(shù)在1.02～1.05之間；當(dāng)埋長(zhǎng)大于12.5倍且小于或等于臨界錨固長(zhǎng)度20倍筋材直徑時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力沿埋長(zhǎng)分布不均勻，其不均性系數(shù)在1.06～1.14之間。 (3)研究了FRP筋粘結(jié)式錨具的粘結(jié)界

6、面模型以及界面徑向彈性模量，推導(dǎo)了受鋼套筒約束的粘結(jié)介質(zhì)及FRP筋在徑向應(yīng)力作用下的位移計(jì)算式，并驗(yàn)證了其可行性。然后再根據(jù)彈性應(yīng)變能等效原則，得到了由徑向位移表達(dá)的界面徑向彈性模量的計(jì)算式。參數(shù)分析了各變量對(duì)界面徑向彈性模量的影響。分析表明，當(dāng)粘結(jié)介質(zhì)外徑大于1倍筋材直徑，筋材肋間距大于1倍筋材直徑，筋材肋寬大于0.5倍筋材直徑，鋼套筒厚度大于2.5mm時(shí)，其粘結(jié)介質(zhì)RPC外徑、筋材肋間距、筋材肋寬、鋼套筒厚度等參數(shù)對(duì)粘結(jié)界面的徑向彈

7、性模量影響較小。在有限元數(shù)值分析時(shí)，考慮界面徑向彈性模量的Bar—scale模型能夠較好的預(yù)測(cè)粘結(jié)模型的徑向反應(yīng)。 (4)傳統(tǒng)的夾片式錨具應(yīng)用于CFRP預(yù)應(yīng)力筋時(shí)必須進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的夾片式錨具由央片、錨杯、塑料薄膜以及薄壁鋁套管等組成。試驗(yàn)研究錨杯長(zhǎng)度、錨杯傾角、夾片預(yù)緊力、筋材預(yù)張拉、凹齒間距、深度和寬度以及鋁套管厚度等參數(shù)對(duì)夾片式錨具極限承載力及CFRP筋和夾片的滑移量等錨固變量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)錨杯傾角為3°、夾片

8、預(yù)緊力為100kN、鋁片厚度為1mm、凹齒間距和深度分別為12.85mm和0.3mm時(shí)，夾片式錨具的實(shí)測(cè)極限荷載最大為185kN，相應(yīng)的錨固效率系數(shù)為96.4％。錨杯環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值吻合良好，驗(yàn)證了錨杯應(yīng)力分析的可靠性?；谠囼?yàn)結(jié)果建立了夾片式錨具極限荷載的計(jì)算式。 (5)采用ANSYS軟件建立了CFRP筋央片式錨具數(shù)值模型，該模型為軸對(duì)稱模型，涉及材料非線性和接觸非線性。計(jì)算終止判斷依據(jù)為Tsai—Wu準(zhǔn)則。

9、計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。參數(shù)分析表明，各參數(shù)的最佳取值：錨杯傾角為2.5°、夾片與錨杯之間的角度差為0.1°、錨杯長(zhǎng)度為90mm、錨具自由端處夾片端部至錨杯端部之間的距離為10mm、薄壁鋁套管的厚度為1mm、夾片與錨杯之間的摩擦系數(shù)為0.03、鋁套管和CFRP筋之間的摩擦系數(shù)為0.50。數(shù)值結(jié)果是試驗(yàn)結(jié)果有益的補(bǔ)充。 (6)根據(jù)普通拉索錨固體系的特點(diǎn)，提出了錨固CFRP筋的復(fù)合式錨具。靜載試驗(yàn)研究了錨杯長(zhǎng)度