BFRP筋—工程水泥基复合材料粘结性能研究

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FRP筋(Fiber reinforced polymer bar)具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等优点,在工程领域已经得到广泛应用。作为一种新型FRP材料,BFRP筋(Basalt fiber reinforced polymer bar)还具有良好的导热性能、优异的电磁性能和价格便宜等优点,是一种理想的普通钢筋替代材料。工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,简称ECC)在纤维体积掺量为2%时,具有优异的拉伸延展性,多裂纹发展特性和微小裂缝宽度的优点。二者结合用于工程结构中,可大幅提高结构的延性和耐久性。BFRP筋与ECC的粘结性能是保证两者协同工作的关键,本文通过试验、理论与数值分析相结合的方法,研究BFRP筋与ECC的粘结性能及影响因素,主要内容和结论如下:(1)通过中心拉拔试验,分析BFRP筋、普通钢筋与普通混凝土、ECC和UHPC之间的粘结性能。结果表明:BFRP筋粘结滑移曲线与普通钢筋虽然相似,但在残余应力段会产生上升波动,粘结强度主要由筋材和基体材料的摩擦力和咬合力提供;普通钢筋和BFRP筋在UHPC中的粘结性能优于ECC和普通混凝土,但相较于普通钢筋,BFRP筋在UHPC中粘结强度提升不明显。(2)探讨BFRP筋表面形式、锚固长度、直径及ECC的保护层厚度、强度对BFRP筋与ECC的粘结性能。通过BFRP筋和ECC拉拔试验,建立BFRP筋拉拔试验数据库,采用随机森林算法对各个影响因素重要性排序来寻找对BFRP筋粘结性能影响最大的因素。结果表明:BFRP筋在ECC中粘结性能随着锚固长度的增加而降低、随ECC强度的增加而增加,当保护层厚度不足将会导致粘结强度大幅下降,仅为正常试件的39.59%。各类因素中,保护层厚度影响最大,其中筋材直径和表面形式影响程度较小。(3)根据拉拔试验结果,提出适用于BFRP筋-ECC的粘结滑移本构模型。将试验数据与提出的BFRP筋-ECC粘结滑移本构模型进行对比,结果吻合较好;基于BFRP筋-ECC粘结滑移本构,采用线性粘聚力模型推导适用于BFRP筋-ECC的基本锚固长度公式。(4)基于BFRP筋-ECC粘结滑移本构,对不同锚固长度的BFRP筋-ECC试件进行数值模拟。结果表明,数值模拟与试验粘结滑移曲线吻合良好;ECC中应力呈上宽下窄的圆锥状,且随着锚固长度增加,横截面应力环直径增大,并逐渐扩散到ECC上表面,BFRP筋高应力区向加载端靠拢集中。
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