黏砂变形GFRP筋与约束混凝土之间的黏结性能.pdf
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1、第 1 6 卷第 1期 2 0 1 3年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG MATERI ALS Vo 1 1 6 。 No 1 Fe b , 2Ol 3 文章编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 0 6 0 7 黏砂变形 GF RP筋 与约束混凝 土之 间的黏 结性 能 薛伟辰 , 王 圆, 方志庆 ( 同济大学 建筑工程系,上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 : 基 于 3 0个 L o s b e r g拉拔 试验 , 对黏砂 变形 GF RP筋 与采 用箍筋 约束 的混凝 土之 间的黏 结性 能进 行
2、 了较 为 系统 的研 究 研 究表 明 : G F R P筋与约 束混凝 土之 间的黏 结一 滑移 ( r S ) 曲线 可分 为微 滑移段、 滑移段 、 下降段、 二次上升段 以及残余下降段 ; 对于采用箍筋约束的 GF RP筋试件 , 均只发 生拔 出破 坏 , 而对 于无箍 筋约 束的 G F R P筋试件 , 其破 坏模 式 包括 拔 出和劈 裂 两种 ; 与无 箍 筋约 束 的 GF RP筋试件 相 比 , GF R P筋与 约束混 凝土之 间的黏 结强度增 加 了 0 0A1 6 , 而达 到 黏 结强度 时对应 的 滑移量则提 高 了 1 2 O 2 7 6倍 在 考 虑 G
3、F R P筋 直 径 、 黏 结 长度 、 体 积 配箍 率等 因素 的 基 础上 , 建 立 了 GF R P筋 与约束 混凝 土之 间的黏 结一 滑移 本构模 型 关 键词 : GF R P筋 ;约束 混凝 土 ;体积 配箍 率 ; 黏 结 ;黏 结一 滑移本 构模 型 中图分 类号 : TU3 7 7 9 文献 标志 码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 1 0 0 2 Bo n d Be ha v i o r b e t we e n S a n d - Co a t e d GFRP Re b a
4、r a n d Co nf i ne d Co nc r e t e XUE W e i c h e n,W AN G Yu an,FAN G Zhi q i n g ( De p a r t me n t o f Bu i l d i n g En g i n e e r i n g,To n g j i Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :Gl a s s f i b e r r e i n f o r c e d p o l y me r ( GF RP )r e b a
5、 r h a s b e e n mo s t c o mmo n l y u s e d i n c i v i l e n g i n e e r i n g Bo nd b e ha vi or o f s a n d c oa t e d GFRP r e b a r i n c o nf i ne d c on c r e t e wa s s ys t e m a t i c a l l y a na l y z e d Te s t r e s ul t s of 3 0 l os be r g p ul l o ut s p e c i me ns s ho w t ha t
6、t he e xp e r i me n t a l b o nd s t r e s s s l i p c u r v e s f o r GFRP r e b a r i n c on f i n e d c o n c r e t e ( r S c u r v e )i s c o mp o s e d o f mi c r o s l i p p a g e s e c t i o n,s l i p p a g e s e c t i o n ,d e s c e n d i n g s e c t i o n,s e c o nd r i s i ng s e c t i o
7、n a n d r e s i du a l d e s c e n di ng s e c t i o nFo r t h e GFRP r e b a r s pe c i me n s i n c o nf i ne d c on c r e t e,o n l Y p u l l o u t f a i l u r e o c c u r r e d ,h o we v e r ,t h e mo d e o f f a i l u r e o f GFRP r e b a r s p e c i me n s i n u n c o n f i n e d c o n c r e t
8、 e s h o we d p u l l o u t f a i l u r e a n d s p l i t t i n g f a i l u r e Th e s t r e n g t h o f GFRP r e b a r i n c o n f i n e d c o n c r e t e i s 1 0 O一 1 1 6 t i me s t ha t o f c o n c r e t e wi t ho ut s t i r r ups Th e s l i pp a g e o f t he f i r s t p e a k po i n t i n c o nc
9、 r e t e c o n f i n e d by s t i r r up s i S 1 2 02 7 6 t i m e s t h a t o f c o n c r e t e wi t ho ut s t i r r up s Ba s e d o n e x pe r i m e nt a l r e s u l t s,t he t he or e t i c a l m o de l o f bo nd s t r e s s s l i p r e l a t i o ns hi p f or GFRP r e ba r i n c o n f i n e d c on
10、 c r e t e i s e s t a b l i s he d Ke y wo r d s:GFRP r e b a r;c o nf i ne d c o n c r e t e;vo l u m e s t i r r up r a t i o;bo nd b e h a v i o r;mo de l o f b on d s t r e s s s l i p r e l a t i on s h i p 与 钢 筋 相 比 , 纤 维 塑 料 ( f i b e r r e i n f o r c e d p o l y me t , F RP ) 筋具有抗腐蚀性能优 良、
11、抗拉强度高、 抗 磁性能好和重量轻等诸多优点 根据纤维种类 的 不同, F R P筋主要分为玻璃纤维塑料( GF R P ) 筋、 芳 纶纤维塑料( AF R P ) 筋与碳纤维塑料( C F R P ) 筋等 3 种 目前 工 程 中常 见 的 F R P筋 表面形 态 分为 黏 砂变 形 、 绕肋、 黏砂与织物等 4种 , 其 中黏砂变形 G F R P 筋 的应 用最 为广 泛 收稿 日期 : 2 0 1 1 _ O 8 1 8 ;修订 日期 : 2 0 1 1 - 1 卜O 1 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 9 7 8 1 9 3 ) ; 国家重点基础研究 发展
12、计划( 9 7 3计划) 项 目( 2 0 1 2 C B 0 2 6 2 0 0 ) ; 交通部西部交通建 设科 技项 目( 2 O O 6 3 1 8 8 2 2 4 4 ) 第 一作者 : 薛伟辰 ( 1 9 7 0 一) , 男, 江苏扬州人 , 同济大学教授, 博士 主要从事现代预应力结构与先进复合材料 的应用 研究 E ma i l : x u e w c t o n g j i e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 薛伟辰 , 等 : 黏砂变形 G F R P筋与约束混凝土之 间的黏结性 能 F RP筋与 混凝 土 之 间
13、 良好 的黏 结 性 能 是 F R P 筋代替钢筋应用于混凝 土结构 的一个关键因素 国 外 学 者对 F R P筋 与 混 凝 土 之 间 黏 结 性 能 的研 究 起 步 较早 1 9 9 0年 , P l e i ma n n 基 于 4 4个 F RP筋拉 拔 试 件 的试验 结 果 , 提 出了 F R P筋锚 固长 度 的计 算 公 式 1 9 9 5年 , Al u n n o等r 3 研究 了混凝土强度 、 GF RP 筋在混凝土中的位置 、 混 凝土的浇注方向对 GF R P 筋 黏结 性 能 的影 响 1 9 9 6年 , E h s a n i 等 研 究 了 GF R
14、 P筋 弯 钩 对 G F R P 筋 黏 结 性 能 的 影 响 1 9 9 8 年 , Ti g h i o u a r t 等 通 过 1 2个 拉 拔 试 件 和 6 4个 梁 式 试件 的黏结 试验 , 得 出 F R P筋与 混凝 土 之 间黏 结 性 能 的影 响 因素包括 破坏 形式 、 混 凝土 强度 、 锚 固长 度 、 纤 维增 强塑 料筋 直径 、 混凝 土 浇注 深度 以及 环 境 条件等的结论 , 并建立了黏结一 滑移本构模型 2 0 0 5 年 ,T h a mr i n等_ 6 通 过 3 2个 C F R P筋 的 梁 式 试 验 研究了配箍率对 C F RP
15、筋黏结性能的影响 , 得 出结 论 : 当黏结 长度 大 于 0 5倍直 径 时 , 配 箍率 对梁 式 试 验 的破 坏 形 态 影 响 较 大 1 9 9 5年 本 课 题 组 通 过 6 9 个拉拔试件和 2 7个 梁式试件 , 对外缠肋 GF R P筋 与 混凝 土之 间的 黏结 性 能进 行 研 究 , 提 出 了外 缠 肋 GF R P筋 黏结 强 度 和 锚 固长 度 的设 计 建 议 7 2 0 0 6 年 , 本课 题 组 又 通 过 4 8个 标 准 拉 拔 试 验 研 究 了 C F R P筋与不 同黏结介质问的黏结性能 总体来看, 国内外学者对 F R P筋与约束混凝土
16、 的黏结性能的 研究已取得 了一定的成果 , 但还存在一些问题 , 如未 给 出 F RP筋与约束混凝土的黏结强度计算公式 , 未 建立 F R P筋 与 约束 混 凝 土 的黏 结 一 滑移 本 构 模 型 等 2 0 0 7年 , 本 课题 组l 9 基 于 l 8个 梁式 试 验 , 4 2个 L o s b e r g拉 拔试 验 以 及 6个 标 准 拉 拔 试 验 , 研 究 了 试验形式 、 GF RP筋直径、 表面形态和黏结长度等 因 素对 黏砂 变形 GF R P筋 黏 结 性 能 的影 响 , 并 提 出黏 砂变形 G F R P筋 与无 约束混凝土之 间的黏结强度 和锚
17、固长度 的计算 公 式 但该 公式 能否 用于计 算 GF R P筋与约束混凝土之间 的黏结强度 尚需验证 因此 , 有 必要 开展 黏 砂 变形 G F R P筋 与 约 束混 凝 土 之间黏结性能及其设计计算方法的研究 目前 国内外 常用 的试 验 方 法 主要 有 2种 : L o s b e r g拉拔 试验 和 GB 5 0 1 5 2 - 9 2 混凝 土结 构试 验方 法标准 1 叼中规定 的标准拉拔试验 , 其拉拔试件如 图 1所示 与标准拉拔试件 相 比, L o s b e r g拉拔 试件较复 杂 , 在试 件 的加 载端 和 自由端分 别设 有无 黏 结段 , 这 样可
18、以更好 地避免应力集 中对黏结试 验结果 的影 响l_ 1 因 此 , 本 文 的 试 件 均 采 用 L o s b e r g拉 拔 试 件 综 上 , 本文 通 过 3 0个 L o s b e r g拉 拔试 验 , 对 黏 砂变形 G F R P筋与约束混凝土之 间的黏结性 能进 行 较深 入 的研究 孥 蠢l 凑 I l , Reha r f a 1 L o s b e r g p u l l - o u t s p e c i me n C o ) S t a n d a r d p u l l o u t s p e c i me n 图 1 L o s b e r g拉拔与标
19、准拉拔试件 Fi g 1 Lo s be r g pu l l ou t a nd s t a nda r d pu l l o ut s pe c i m e n 1 试 验设计 1 1 材 料 试件中采用 了钢筋( HP B 3 0 0普通变形钢筋) 和 GF RP筋 ( 黏 砂 变 形 AS L AN GF RP筋 , 由 AS L AN 公司提供) 以及 C 3 O和 C 5 0混凝土 GF RP筋经过 黏砂变形处理 : 黏砂部分, GF R P筋表面黏砂颗粒 较粗 , 且黏砂层较薄; 变形部分 , GF R P筋表面经 过螺旋 绕线处 理 ( 本 文简称 “ 变形 ” ) , 绕 线
20、 间距为 3 0 mm, 绕线宽为 3 mm, 肋倾斜角 a约为 4 5 。 本次 试验测得的 G F R P筋抗拉强度为 6 2 5 MP a , 弹性模 量 为 4 5 6 1 0 G P a 1 2试件 设计 本 文共 设计 了 3 O个 L o s b e r g拉 拔试 件 , 黏结 长 度 z 曲 均为 GF RP筋( 钢筋) 直径 d 的 5倍 试件参 数包括: 筋的种类( GF R P筋和带肋钢筋) ; 混凝 土强度等级( C 3 0和 C 5 0 ) ; 体积配箍率 p v ( 1 7 7 和 3 1 4 , 体积分数) 其 中, 试件 的体积配箍率是 指黏结区段内箍筋体积与
21、混凝土体积之 比, 未配箍 筋 时体 积 配箍 率 为 0 试件 尺寸 见 图 2 , 试件 黏结 一 位 移( r S ) 曲线上特征点的明细情况见表 1 需要 说 明的是 : 表 1中 的黏 结 强 度 均 为最 大 黏 结强 度 ; 破坏 形 态 a l b f C为每 组 3个试 件 的破坏 形 态 , S 代 表 劈 裂 破 坏 ,P 代 表 拔 出 破 坏 ;以 NC 3 O G1 6 S 6为 例 , 其 中 , NC代表 普 通 混凝 土 , 3 O代 表混凝土强度等级为 C 3 0 , G代表 GF RP筋 , 1 6代 表筋 的直径为 1 6 mm, S代表箍筋约束 , 6
22、代表箍筋 直径为 6 mm s 为微滑移段最大黏结应力点对应的 滑移量 ; s 为与黏结强度点对应的滑移量 , s 为与下 降段最低点对应的滑移量 , s 为与回升段的最高 点 对应 的滑移 量 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 薛伟辰 , 等 : 黏砂变形 G F R P筋与约束混凝土之 间的黏结性能 25 20 矗 1 5 罢 。 5 ( a ) GF RP r e b a r s c o n c r e t e 8 0 C o ) S t e e l r e b a r s c o n
23、 c r e t e 图 4 不同体积配筋率试件 的 rS曲线 F i g 4 r s c u r v e s o f s a mp l e wi t h d i f f e r e n t v o l u me s t i r r up r a t e 由图 4可 以看 出 : ( 1 ) 有箍筋约束 的 GF RP筋试件 的 Z - S曲线形 状相近 以微滑移段 峰值点 A 、 滑移段 峰值 点 A 、 下降段拐点 A 和二次上升段最高点 A 这 4个特征 点为界, 将 r S曲线分为 5段 : 微滑移段 、 滑移段 、 下 降段 、 二次上升段和残余下降段 ; 而对 于无箍筋约束 的 G
24、 F R P筋试件的 rS曲线 , 当黏结应力达到 峰值 后迅速下降 对于有箍筋约束和无箍筋约束 的钢筋 试件 , 其 r s曲线均无二次上升段 A , A 和 A 等 特征点将钢筋试件 的 Z - 5曲线分为微 滑移段 、 滑移 段、 下降段和残余段等 4 段 ( 2 ) 对无箍 筋 约束 的 G F R P筋 试件 , 当试件 达 到 黏结强度时, 自由端滑移量为 2 7 5 4 2 4 mm, 而对 于有 箍 筋 约 束 的 G F R P筋 试 件 , 相 应 的 滑 移 量 为 6 O 2 9 1 4 mm, 是无 箍筋约束 GF R P筋试 件达 到 A 点时滑移量 的 1 2 0
25、 2 7 6倍 可见 , 约束混凝 土对 G F R P筋试件 达到黏结强度 时 的滑移 量有较 大影响 ( 3 ) 当试件体积配箍率分别为 1 7 7 和 3 1 4 , r s曲线达到 A 点时, G F R P筋的黏结应力分别降至 黏结强度 的 7 6 8 和 8 l - 4 , 当曲线 回升至 A 点 时, G F R P筋的黏结应力基本都与黏结强度相等 ( 4 )当体 积配 箍 率 从 1 7 7 增 至 3 1 4 时, G F R P筋的黏结强度从 1 8 7 6 MP a 增至 2 O 5 5 MP a , 约增加 1 0 ; G F R P筋达到黏结强度时的滑移量则 从 7
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