径向布置钢片玻璃纤维复合筋构造及力学性能研究

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GFRP筋因其高强和耐腐蚀等优点,而被认为能够部分替代混凝土结构当中的钢筋。然而GFRP筋的弹性模量较低及延性差等特点严重制约了其在结构中的应用。本文针对GFRP筋在混凝土结构中的应用问题,研制出了一种径向布置钢片玻璃纤维复合筋(RSGB复合筋),并对其构造理论、成型工艺、力学性能等进行了研究。  首先,研究了纤维增强材料的界面特性及复合材料的粘结机理;并基于剪滞理论简要分析了钢芯FRP筋界面的传力模式,结果表明,钢芯与GFRP材料间的弹性模量差异性越大,拉伸过程中界面应力水平越高,为提高两种材料的协调变形性能,需提高二者的粘结性能。  其次,研究了部分已有钢芯FRP筋的构造及力学性能特点,并基于混杂理论研究了HFRP筋及钢芯FRP复合筋的制备原理;以提高钢芯与GFRP间协调变形为目的,通过增大钢芯与树脂接触面积的方法,首次提出了径向布置钢片形式的玻璃纤维复合筋。基于各钢芯FRP复合筋的构造特点,建议钢片采用径向布置,以保证钢芯的顺直及受力均衡。基于现有的FRP筋的拉挤成型工艺,结合特有的拉挤成型模具,介绍了RSGB复合筋的成型工艺,并成功制备出了RSGB复合筋。  再次,采用有限元软件分析了不考虑滑移情况下钢芯复合筋的拉伸受力性能,结果显示复合筋在拉伸过程中,钢芯的弹塑性能够改善复合筋弹性模量及延性;与钢片接触区域的GFRP应力状态较好;钢芯在增大界面整体的抗剪能力的同时,在锚固过渡区域的钢片外缘会存在较大的剪应力集中,后期试验表明该处的应力集中对材料拉伸性能影响并不明显。  最后,对RSGB复合筋进行了拉伸、剪切、压缩试验,试验结果表明,RSGB复合筋成型效果较好,拉伸过程中应力-应变曲线为非线性,具有一定的延性,初始弹性模量会随钢芯含量的提升而有所提高;拉伸试验数据与数值计算结果基本吻合,说明钢芯与GFRP间的粘结性能良好;RSGB复合筋横向抗剪能力随钢芯含量的提高而有所提高;RSGB复合筋在压缩过程中由于钢芯与纤维等的横向变形不相协调,抗压强度较GFRP筋有所降低,但会随钢芯含量的提升而有所提高。
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