碳纤维预应力筋复合型锚具试验研究与有限元分析

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碳纤维复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer,简称CFRP)筋因其具有质量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀、抗疲劳等优越性能,在海湾海峡工程及超大跨工程中具有重要的应用价值。而其广泛应用的前提是锚固问题的解决,由于CFRP材料抗剪及抗压强度较低,传统夹片式锚具不适用于CFRP筋的锚固。国内外目前对CFRP筋锚具的研究与应用仍然较少,进一步完善CFRP筋锚具的研究成果,促进CFRP筋(索)在工程结构中的应用,有重要价值和意义。   本文依托国家自然科学基金项目(51078170),围绕CFRP单筋复合型锚具与多筋复合型群锚进行了受力分析、有限元数值模拟、试验研究及相关理论分析工作。主要的研究内容及相应研究成果摘录如下:   1、锚具受力分析   对复合型锚具粘结组装件、夹片组装件分别进行了定性静力分析。得到了相关参数对粘结组装件锚固应力的影响及金属管表面轴向应力近似计算公式,金属管受拉区最大拉应力在受拉区与夹持区临界处;分析了夹片组装件工作状态下受力性能及相关参数对夹片工作性能的影响。   2、锚具有限元数值模拟   应用ANSYS软件,对锚具进行了数值模拟分析。利用单筋锚具对称性,选用PLANE82单元,建立单筋锚具模型,考虑材料弹塑性、CFRP筋各向异性、接触非线性。分析了夹持位置、夹持力、粘结长度、粘结材料厚度、金属管厚度等的影响。对于多孔锚环采用SOLID185三维实体单元分析了扁锚及圆锚的应力状态。多孔锚环最大应力在锚孔大端表面。   3、单筋锚具试验研究   进行了单筋复合型锚具静载试验,测试了极限承载力、金属管应力分布以及锚具锚固性能等,记录了试件破坏模式。试验得出了合理参数组合,分析了不同参数对锚具锚固性能的影响和金属管应力分布规律,以及锚具的应力传递机理。根据实测数据,分析拟合了由粘结滑移控制的极限承载力计算公式,有较好的适用性。合理参数下该复合型锚具可有效锚固直径8mm的CFRP筋。   4、多筋群锚试验研究   设计了CFRP筋多筋复合型扁锚和圆锚,并进行了试验研究。测试了锚具极限承载力、筋材应变同步性、荷载位移曲线、试件破坏模式等。合理参数下的多筋复合型群锚可有效锚固多根直径8mm的CFRP筋,夹片与金属管间具有较好的抗滑移性能。总结了复合型锚具相关设计建议,包含锚具参数、材料选用、设计荷载等,具有一定的应用参考价值。   以上内容对CFRP筋单筋复合型锚具及多筋复合型群锚的锚固性能进行了试验研究及相关的理论分析,本文最后提出了CFRP筋锚具进一步研究与应用的展望及建议。
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