湿热环境下端部HB锚固的CFL-混凝土界面粘结性能研究

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纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)材料因其轻质高强、耐腐蚀性和可设计性等优点,目前在钢筋混凝土(Reinforced Concrete,简称RC)结构的外粘贴加固技术(Externally Bonded Reinforcement,简称EBR)中应用广泛。然而,EBR加固方法会导致界面过早剥离,FRP的高抗拉性能得不到充分发挥。而且FRP与混凝土之间的界面一直是整个结构的薄弱部位,对湿度和温度的敏感性较高,其粘结性能在很大程度上决定整个加固构件的性能。因此,设计一种提高FRP-混凝土界面的强度以及FRP的抗拉强度利用率的端部混合粘贴(Hybrid-Bonded,简称HB)锚固方式,并探究该锚固方式下FRP-混凝土界面在湿热环境中的粘结性能有重要科学意义和工程意义。本文以本课题组研发的碳纤维薄板(Carbon Fiber Laminate,简称CFL)与混凝土之间的粘结界面为研究对象,设计了一种端部HB锚固的CFL加固混凝土结构的加固方式,探究了 CFL-混凝土界面破坏机理和粘结性能受端部HB锚固和湿热环境的影响。本文的主要研究内容和结论如下:(1)设计一种用螺栓控制预紧力的端部HB锚固的满贴CFL加固混凝土双剪试件,通过双剪试验探究不同扭矩对双剪试件的极限承载力的提升效果,建立极限承载力预测模型,发现荷载滑移曲线中的平台荷载Pp和平台后的荷载增量ΔP分别由粘结胶的粘结力和端部机械锚固力控制,且扭矩和荷载增量呈线性关系。(2)利用数字图像相关法(Digital Image Correlation,简称DIC)处理并获得CFL表面的全场位移,分析了试件的破坏模式、荷载-滑移曲线、CFL应变分布规律、剪应力演化规律和局部粘结-滑移曲线,发现当荷载超过平台荷载后,端部机械锚固分担了一部分界面应力,导致界面极限承载力大大增加。(3)通过在加载端设计非粘结区,探究了机械锚固件对不同粘结长度的双剪试件的极限承载力提升效果,讨论不同粘结长度下界面的应力传力特性。得出结论是粘结长度对端部锚固提供的荷载增量影响不大,但粘结长度较短的CFL应变在界面上传递更快,剥离区的长度也更长。(4)采用双线性界面粘结-滑移本构模型,建立了基于弹性理论的端部锚固CFL-混凝土界面剥离全过程理论模型,给出了界面加载端端部滑移量、界面剪应力和CFL正应力的计算公式,建立了可用于评估荷载-滑移曲线以及界面极限承载力的计算方法,理论结果与试验结果吻合较好。(5)通过对端部HB锚固的双剪试件进行湿热环境预处理(设计温度为10℃、23℃、50℃和60℃,设计相对湿度为50%、78%和95%)和湿热环境-荷载耦合试验,分析其破坏过程和破坏模式,发现湿热环境会改变双剪试件的破坏模式,即从室内环境的混凝土表层剪切破坏、锚固区域混凝土严重磨损转变为高温高湿环境中环氧树脂胶层剥离、锚固区域混凝土无磨损的破坏模式。(6)通过应变分布规律、剪应力演化规律和局部粘结-滑移曲线等探讨了 CFL-混凝土界面的粘结性能以及端部锚固在湿热环境下的作用效率,并分别给出了 50℃环境和78%RH环境下粘结-滑移模型中的5个特征值(k1、k2、τu、s0和sf)随湿度和温度变化的表达式。
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