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钢筋混凝土结构在工业与民用建筑中应用甚为广泛,但钢筋遇水或酸、碱等介质易腐蚀,从而导致结构耐久性降低和结构破坏。FRP(FiberReinforcedPolymer)筋是一种新型的复合材料,它具有良好的力学性能和耐腐蚀性能,用它代替增强混凝土结构中钢筋可以大大提高增强混凝土结构的使用性能和耐久性能。
由于FRP筋的物理力学性能和表面形状与钢筋有较大差异,FRP筋与混凝土的粘结性能低于钢筋。如何有效地改善FRP筋与混凝土的粘结性能,是国内外学者研究的热点问题,FRP筋与混凝土结合的前提是保证在外荷载作用下,两者的协同工作。FRP筋与混凝土的粘结性能是设计、应用和推广该种结构的关键技术之一。
本文在总结了国内外大量研究的基础上,首先对14个研制加工的一种新型的螺纹状表面粘砂FRP筋和2个光圆钢筋,2个光圆玻璃纤维筋,2个表面粘砂螺纹钢筋,进行中心拉拔试验,通过试验对纤维塑料筋与混凝土的粘结机理、破坏机理、粘结强度的影响因素和滑移性状进行了较为深入的研究。研究结果表明,该螺纹状表面粘砂FRP筋粘结力仍然由摩擦力和机械咬合力提供,但相对而言,摩擦力起主要作用。其破坏机理不是由于FRP筋的外缠肋发生损坏或者与核心处FRP发生剥离。而是FRP筋表面螺纹凸起部分与核心处FRP筋发生剪切滑移,表面粘砂层研磨成粉状,成纵向剪切破坏。荷载—滑移曲线(P—s曲线)在达到峰值点以后下降段比传统螺纹状钢筋平缓效果更好,与混凝土的粘结强度略低于螺纹钢筋,但明显大于光圆FRP筋;拔出破坏时对粘结强度起控制作用的是树脂的种类和表面形式,而混凝土和纤维类型对其影响较小。
然后在本文试验以及国内外大量研究的基础上,提出了本次试验所采用的螺纹状表面粘砂FRP筋粘结强度的理论公式和锚固长度的的设计建议。分析已有的几种FRP筋与混凝土之间的粘结滑移本构模型,提出了较符合本次试验研究的粘结滑移本构模型,为有关规范的编制提供了依据。
最后,利用ANSYS程序及粘结滑移本构关系对FRP筋与混凝土拉拔试件进行了有限元模拟。并系统总结出了考虑粘结滑移的FRP筋与混凝土构件的ANSYS程序有限元分析建模和计算方法。采用ANSYS有限元软件对试件进行数值模拟,将试验粘结—滑移关系曲线与数值模拟粘结—滑移关系曲线进行对比,并对模型在不同荷载作用下不同位置处弹簧单元的弹簧力、滑移以及FRP筋的应力进行分析研究,验证ANSYS软件数值模拟结果的正确性。利用ANSYS有限元软件对螺纹状表面粘砂FRP筋混凝土试件进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,可以得到较为准确的极限状态值,能够用来较为准确的模拟粘结滑移的受力过程。