表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究.pdf

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表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究1 表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究2 表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究3 表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究4 表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究5 表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究6 表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究7 表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究8
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2016年第3期玻璃钢/复合材料5表面内嵌FRP筋混凝土粘结・滑移本构关系试验研究张海霞,何禄源(1.沈阳建筑大学土木工程学院,沈阳110168;2.河南省建筑科学研究院有限公司,郑州450053)摘要:通过对一组表面内嵌FRP筋混凝土试件进行拉拔试验,分析表面内嵌FRP筋混凝土的受力过程和破坏模式;研究FRP筋直径、粘结长度和FRP筋类型等因素对粘结滑移性能的影响。结果表明,试件的破坏模式表现为FRP筋与结构胶界面破坏、结构胶与混凝土界面剥离、FRP筋被拉断和结构胶劈裂四种破坏模式;内嵌BFRP筋试件的粘结应力随粘结长度的增长而增大,而内嵌GFRP筋试件的粘结应力随粘结长度的增长而减小。因FRP筋泊松比的降低和剪切滞后效应,试件的粘结应力随着FRP筋直径的增大而减小。同时,对试验结果进行处理分析,建立了一种适用于表面内嵌FRP筋混凝土粘结一滑移本构关系模型,并给出模型特征点的数学表达式,将拟合曲线与试验曲线进行对比分析。结果表明,该本构关系能够较为准确地模拟表面内嵌FRP筋混凝土的粘结滑移性能。关键词:表面内嵌;FRP筋;粘结一滑移;本构关系;拉拔试验中图分类号:TB332;TU377.9—文献标识码:A文章编号:1003-0999(2016)030005-08表面内嵌FRP筋加固方法是利用FRP筋的抗腐蚀、抗疲劳、强度高、重量轻、非电磁性等优点¨J,通过对混凝土构件需加固部位预先开槽并将FRP筋放入,然后向槽中注入结构胶等粘结材料使之形成整体,从而改善结构性能的方法。与传统的加固方法相比,该方法具有明显的优势'4J。在表面内嵌FRP筋加固混凝土构件中,FRP材料、粘结剂与混凝土之间的可靠粘结是其能够共同工作、提高承载力和保证加固效果良好的基本前提和基础。由于粘结剂的存在以及FRP筋材料特性的原因使得FRP筋与混凝土之间的粘结不同于钢筋与混凝土之间的粘结J,因此国内外的研究学者对表面内嵌FRP与混凝土的粘结性能进行了大量的试验研究,主要集中在拉拔试验和梁式试验。通过试验对FRP筋类型、局部粘结长度和粘结剂种类等不同因素对粘结性能的影响进行分析11-15]。然而粘结剂、材料本身的力学性能各有不同,其与混凝土之间的粘结性能亦有区别,本文通过对20个表面内嵌FRP筋混凝土试件进行单端拉拔试验,分析了试件的破坏模式以及FRP筋类型、粘结长度、FRP筋直径等参数对粘结性能的影响,进而建立了粘结滑移本构关系模型,为深入了解其粘结性能提供了试验依据。1粘结滑移试验1-1试验概况为了能够在轴心拉拔试验中较为准确地反映表面内嵌FRP筋在粘结剂作用下与混凝土之间的粘结滑移性能,共设计试件20个,包括GFRP筋试件1O个,BFRP筋试件lO个。为了避免在加载过程中出现偏心的影响,混凝土试块采用300mmx300mmx350ram的c型混凝土试块,C型缺口部分的尺寸为150mmx140ram,在缺口部分的中心进行开槽,开槽截面为正方形,尺寸为FRP筋直径的2倍。试块的形状如图1所示。本次试验考虑的试验参数包括:FRP筋的直径d,FRP筋的种类和FRP筋粘结长度f。槽宽与FRP筋直径的比值k=2.0,试件的具体信息见表1。图1混凝土试块尺寸Fig.1Concreteblocksize—收稿日期:2015.1008基金项目:国家自然科学基金资助项目(51208316);辽宁省高等学校优秀科技人才支持计划项目(LR2015055);住房和城乡建设部研究开发项目(2014一K2.039)作者简介:张海霞(1976-),博士,副教授,主要从事新型FliP混凝土结构、结构性能加固、组合结构等领域的研究,iriszhx@163.120/1'1。酒6表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究2016年3月表1试件具体信息Table1Detailsofspecimensl-2材料力学性能混凝土采用设计标号为C30的普通混凝土,其强度通过随试件同时浇筑、同条件养护的150mm×150mmx150mm混凝土立方体试块测得,其抗压强度平均值为38.5MPa。试验采用的结构胶为JGN-I建筑植筋粘合剂,粘结性能指标见表2。本试验采用的FRP筋为表面单向缠绕带肋GFRP筋和BFRP筋,其性能参数见表3。表2结构胶性能参数Table2Performanceindexofadhesive表3FRP筋材料性能指标Table3PerformanceindexofFRPbars2试验结果及分析2.1破坏模式本次试验共20个试件,其中B10-6d试件因仪器问题未能得到有效数据。试验共观测到4种破坏②模式,包括:(DFRP筋与结构胶界面剥离;结构胶③④与混凝土界面剥离;FRP筋被拉断;结构胶劈裂。试验的具体结果见表4。表4试验结果汇总Te4Testresults①②注:破坏模式:FRP筋与结构胶界面破坏;结构胶与混凝土③④界面剥离;FRP筋被拉断;结构胶劈裂。(1)FRP筋与结构胶界面剥离以试件BIO一5d作为典型试件进行分析。试件B105d表面内嵌直径d=10ram的BFRP筋,其粘结长度为5d。图2(a)为其荷载一滑移关系(P・Js)曲线。通过曲线可以看到,加载开始后,BFRP筋加载端首先出现滑移,随着荷载的增加,加载端的滑移值也不断增大,此时自由端未出现滑移。当荷载达到5kN(45%极限荷载)时,自由端开始出现滑移,随后加载2016年第3期玻璃钢/复合材料7端和自由端的滑移值也不断增加,且自由端滑移值始终小于加载端。当荷载达到峰值荷载11.09kN以后,两端的滑移值仍持续增大,而荷载开始下降,此时BFRP筋与结构胶之间的粘结界面出现裂缝,进而发生剥离,粘结性能开始降低。加载端和自由端的滑移值之差随荷载的降低近似相同,下降段曲线近似直线。当荷载降到7.81kN(70%极限荷载)时,随着滑移值的增大,荷载开始趋于平稳,不再出现明显的下降段。整个加载过程中,粘结区域结构胶未出现裂缝和破坏。(2)结构胶与混凝土界面剥离—选取试件G106d作为典型试件进行分析。试件GIO.6d表面内嵌直径d=10mm的GFRP筋,粘结—长度为6d。图2(b)为其荷载一滑移关系(PS)曲线。由图可知,在荷载作用开始后,GFRP筋加载端处首先出现滑移值,随着荷载等级的提高,加载端处的滑移值开始有了缓慢的增加,而自由端未出现滑移。当荷载达到7.5kN(30.7%极限荷载)以后,自由端开始出现微小滑移,且始终在0.05mm附近徘徊,当荷载达到14.06kN(57.7%极限荷载)后,自由端开始出现较为明显的滑移,荷载等级继续提高,加载端和自由端的滑移值也同步增大。此过程中,GFRP筋与结构胶未出现剥离。当达到极限荷载24.38kN时,结构胶与混凝土界面突然发生剥离,粘结区域的结构胶随GFRP筋整体被拔出,且相对完好,而荷载瞬间下降,粘结区域的混凝土界面未出现明显裂缝。(3)GFRP筋被拉断选取试件G8.12d作为典型试件进行分析。试件G8.12d表面内嵌直径d=8mm的GFRP筋,粘结—长度为12d。图2(c)为其荷载一滑移关系(PS)曲线,由图可知,当荷载较小时,自由端未出现滑移;当荷载达到22.45kN(67%极限荷载)以后,自由端开—始出现微小滑移,而滑移值始终在0.010.02ram附近徘徊;当荷载达到极限值33.5kN时,试件发出“”啪的一声声响,GFRP筋在加载端处断裂,荷载瞬间下降。整个加载过程中,粘结区域的结构胶表面未出现裂缝,结构胶与混凝土界面也未出现剥离。(4)结构胶劈裂选取试件GIO一10d作为典型试件进行分析。试—件G1010d表面内嵌直径d=10ram的GFRP筋,粘—结长度为10d。图2(d)为其荷载-滑移关系(Ps)曲线,通过曲线可以看到,当试验开始加载后,加载端和自由端均未出现滑移,当荷载达到2.42kN(6.7%极限荷载)时,加载端开始出现微小滑移,随着荷载等级的提高,加载端滑移值不断增大,而自由端始终未出现滑移;当荷载达到29.18kN(80.7%极限荷载)后,自由端才出现滑移;当达到极限荷载36.16kN“”时,粘结区域发出砰的一声声响,结构胶完全破裂,GFRP筋表面肋脱落。暴糖藿(b)GIO一6d五秘挥8表面内嵌FRP筋混凝土粘结一滑移本构关系试验研究2016年3月曩柱—(d)G1010d—图2试件PS曲线—Fig.2PScuYveofspecimen通过对试验现象进行观察和分析表明,表面内嵌FRP筋混凝土试件发生的4种破坏模式可以分为两类,一类为BFRP筋试件所表现出的缓慢的、相对的具有延性特征的破坏模式,另一类为GFRP筋试件所表现出的突然的脆性破坏模式。出现这两种不同的破坏模式,与FRP筋的表面形式和其极限拉应变有较大关系。本次试验GFRP筋表面带肋明显,肋间距为10ram左右,肋高为1mm左右,形成凸肋,将其内置到结构胶中,其粘结力的组成除了有胶着力和摩擦力外,还具有一定的机械咬合力,当发生结构胶劈裂破坏时,表面的肋均有不同程度的脱落,而且结构胶为脆性材料,故破坏突然。当GFRP筋被拉断破坏时,主要是由于其材料性质为线弹性脆性特征所引起的。而本次试验BFRP筋表面肋不明显,几乎光滑,BFRP筋试件破坏主要为BFRP筋与结构胶界面之间的剥离破坏,粘结应力在一定区域内逐渐积累才达到粘结应力峰值,在传递长度内剥离逐渐发生,故其破坏模式相对具有延性破坏特征。2.2影响因素分析(1)粘结长度对粘结性能的影响图3为表面内嵌FRP筋与混凝土试件的最大粘结应力与粘结长度关系图。由于试件受轴心拉拔作用,因此,试件所承受的最大粘结应力可按丁一=pm ̄/wdl求得。结合表4的试验结果和图3的线性拟合分析可知,在直径d不变的情况下,内嵌BFRP筋试件最大粘结应力丁随粘结长度z的增加而增大;而内嵌GFRP筋试件最大粘结应力f随粘结长度z的增加而减小。之所以会产生此种现象,一方面是由于试件自身的破坏模式所决定的,另一方面是试件拉拔极限荷载的增幅程度不同所导致的。嘲嘲对于内嵌BFRP筋试件,BFRP筋与结构胶界面发生粘结失效的剥离破坏,随着粘结长度的增加,BFRP筋与其周围握裹的结构胶之间的粘结约束性能会有显著提升,而试件极限荷载提高的幅度较为明显;而发生结构胶与混凝土界面破坏的内嵌GFRP筋试件,其极限荷载由两者界面的粘结强度控制,随着GFRP筋粘结长度增大,试件极限荷载亦增大,但幅度增加不明显;同样,对于发生GFRP筋被拉断破坏和结构胶劈裂的试件亦如此。另外,对于内嵌GFRP筋试件,粘结应力分布不均匀,且沿FRP筋呈非线性分布。羹藿10表面内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系试验研究2016年3月GFRP筋试件的破坏模式和受力形式的不同,本文将分别建立两者的粘结.滑移本构关系模型。3.1本构关系模型的建立—图6所示为BFRP筋试件的rs关系曲线,曲线上有两个特征点,分别为峰值点A(s)和进入残余应力阶段的拐点B(s,,,),根据曲线特征点的划分,可将曲线分为三段进行分析。滑移值s/mm—图6BFRP筋试件rs本构模型—Fig.6rsconstitutivelawmodelofBFRPspecimens(I)OA段,二次曲线描述此段为曲线的上升段,其数学表达式为:2三=A三+A2≤f1(0s<s)(1)7-nu、uI由于曲线的上升段经过(0,0)和极值点(s,7.),故式(1)中的A。和分别取2和一1。(2)AB段,斜直线描述此段为曲线的下降段,通过对试验曲线进行观察发现,BFRP筋试件的畸曲线在下降段可近似为一条斜直线,其数学表达式为:=B1二+B2≤(ss<s)(2)r¨H由于曲线的下降段通过点(s,)和点(s,,r,),由试验数据分析可得,s,=0.4s,=0.7r,故式(2)中的。和:分别取为-0.1和1.1。(3)BC段,直线描述此段为试件的残余应力阶段,因其残余粘结应力丁,与滑移无关,故简化为一直线,其数学表达式为:=,(3)—图7所示为GFRP筋试件的rs关系曲线。由于GFRP筋试件达到其峰值荷载后,破坏突然,荷载迅速下降直至为零,因此其下降段不再具有实际的意义,故本文在建立GFRP筋.r-s本构模型时只考虑曲线上升段,而曲线上升段与BFRP筋试件的OA段近似相同,故可用式(1)来表示。图7GFRP筋试件r.s本构模型—Fig.7rsconstitutivelawmodelofGFRPspecimens图8为表面内嵌FRP筋试件的拟合曲线和试验曲线的对比,其中拟合曲线的特征强度、特征滑移值取试验值。从图中可以看到,拟合值与试验值吻合较好,说明本文所建立的表面内嵌FRP筋与混凝土粘结一滑移本构关系模型能够比较真实地反映试验曲线的形状和特征。(a)BFRP筋(b)GFRP筋图8拟合曲线与试验曲线对比Fig.8Fittedcurveversusexperimentalcurve3.2本构关系特征值在.s本构关系模型中,和s是重要的两个特征值,本文对试验结果进行数据分析,从而建立其特征值的计算公式。)8642O2016年第3期玻璃钢/复合材料(1)粘结应力峰值试验分析表明,试件的FRP筋直径d和粘结长度z对其粘结应力峰值.r的影响较大,故通过对数据进行拟合可求得:通过对比可以看到,丁一s曲线特征值丁和s的试验值/理论值的平均值分别为0.988和0.989,试验值与理论值吻合良好。丁=C1+C21≤≤(5df12d)(4)4了篓够更加深入地探索表面内嵌FRP筋与(2)滑移值s试验分析表明,粘结长度z对其滑移值s产生的影响最大,故本文以粘结长度z作为其主要的变量来进行拟合得到滑移值s计算公式:≤≤s=DlZ+D2(5dZ12d)(5)由于BFRP筋试件和GFRP筋试件的破坏模式不同,故式(4)和式(5)中的参数取值亦不同,具体取值见表5。表6为FRP筋试件的r曲线特征值的试验值与理论值的数据对比。表5特征值参数Table5Thecharacteristicvaluesofparameters表6¨曲线特征值的试验值与理论值对比Table6Comparedwiththetestresultsand—theoreticalvalueoffscurve粘结应力峰值 ̄./MPa滑移值s/mm试件编号试验值理论值试验值理论值篱B8.5d8.729.250.9430.4750.720.66B8.6d9.599.60.9990.9250.881.051B8.8d10.210.30.991.1751.20.979B810d10.73110.9751.5251.521.003B8。12dlIlI.70.941.791.840.973B10.5d7.O67.750.9111.1】.O261.072B1O一8d9.58.81.O81.81.5661.149B10.10d10.459.51.11.951.9261.012B10.12d10.8610.21.O652.O752.2860.908G8.5d17.1218.1750.9422.1552.081.036G8.6d16.9617.6350.9621.8151.8960.957G8.8dl6.73l6.5551.O11.4751.5280.965G8一lOd15.62l5.4751.0o91.1l1.160.957G8.12d13.8914.3950.9650.8550.7921.08G1O.5d15.23141.0881.2251.1751.O43G10.6(t12.9413.460.9611.11.1170.985G1O-8dl2.2912_380.9930.9351.o0l0.934G1O.1Od11.5211.31.o20.8750.8850.989G10.12d10.2210.221O_80.7691,04混凝土的局部粘结性能,本文较为系统地对表面内嵌FRP筋加固混凝土试件进行了单端拉拔受力试验和理论分析,得到如下结论:(1)表面内嵌FRP筋混凝土拉拔试件的破坏模式表现为内嵌BFRP筋试件的FRP筋与结构胶界面剥离破坏和内嵌GFRP筋试件的结构胶与混凝土界面剥离破坏、结构胶破裂和FRP筋被拉断破坏;(2)内嵌BFRP筋试件的粘结应力随粘结长度的增长而增大,而内嵌GFRP筋试件的粘结应力随粘结长度的增长而减小,这与试件破坏模式及FRP筋表面特征有较大关系;(3)由于FRP筋泊松比的降低和剪切滞后效应,试件粘结应力随着FRP筋直径增大而减小;(4)建立的粘结一滑移本构关系模型与试验曲线对比,两者吻合良好;(5)表面内嵌FRP筋混凝土的粘结性能与FRP筋表面特征有较大关系,对于表面特征不同的明显带肋筋,其破坏模式和粘结强度亦有不同,且更与表面特征不明显的FRP筋有较大区别。目前,FRP筋表面特征(肋高、肋间距、肋形式等)未有统一的相关标准,在表面内嵌FRP筋加固技术中,其与粘结剂、混凝土之间的粘结性能仍需要大量的试验研究,才能更深刻地理解其粘结机理,同时也更好地理解加固梁的受弯、受剪性能,进而指导工程实践。参考文献[1]KocaozS.,SamaranayakeV.A.,NanniA..TensilecharacterizationofglassFRPbars[J]_Composites,2005,36:127・134.[2]郝庆多,王勃,欧进萍.纤维增强塑料筋在土木工程中的应用—[J].混凝土,20o6(9):3840.—[3]DeLorenzisL.,J.G.Teng.NearsurfacemountedFRPreinforcement:Anemergingtechniqueforstrengtheningstructures[J].Composites:—PartB,2007,38:119143.—[4]DeLorenfisL,NanniA.CharacterizationofFRProdsasnearsurfacemountedreinforcement[J].JournalofCompositesforCon-—struction,2001,5(2):114121.—[5]AntonioNanni.NorthAmericandesignguidelinesforconcretereinforcementandstrengtheningusingFRP:principles,applications,andunresolvedissues[J].ConstructionandBuildingMaterials,12表面内嵌FRP筋混凝土粘结一滑移本构关系试验研究2016年3月—2005,17:439446.[6]郝庆多,王言磊,侯吉林,等.GFRP带肋筋粘结性能试验研究—[J].工程力学,2008,25(10):158165.[7]郝庆多,王言磊,欧进萍.拉拔条件下GFRP筋与混凝土粘结强—度试验研究[J].建筑结构学报,2008,29(1):103111.[8]SharakyIA,TortesL,BaenaM,eta1.EffectofdifferentmaterialandconstructiondetailsonthebondbehaviourofNSMFRPbarsinconcrete[J].ConstructionandBuildingMaterial,2013,38:890.902.[9]BilottaA,CemniF,DiLudovicoM,eta1.BondefficiencyofEBRandNSMFRPsystemsforstrengtheningconcretemembers[J].Jour-—nalofCompositeforConstruction,2011,15(7):757772.—[10]SeracinoR,JonesN,AliM,eta1.Bondstrengthofnear-surface——mountedCFRPstriptoconcretejoints[J].JournalofCompositefor—Construction,2007,11(4):401409.[11]ShehabMSoliman,EhabSalakawy,BrahimBenmokrane.Bond——performanceofnearsui 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