GFRP筋与混凝土黏结性能试验研究v

为研究玻璃纤维增强复合材料筋(glass fiber reinforced polymer bars, GFRP 筋)与混凝土的黏结性能及破坏模式,进行了9 组 GFRP 筋与混凝土的单向拉拔试验。试验设计中考虑了GFRP 筋锚固长度、GFRP 筋直径及混凝土强度的变化对GFRP 筋锚固性能的影响。试验结果表明: GFRP 筋与混凝土间的黏结强度随筋材锚固长度及混凝土强度的增加而显著提高;对于筋材直径为12 mm 的试件,其峰值荷载由锚固长度30 mm 对应的24. 4 kN 增加至锚固长度120 mm 对应的71. 5 kN;对于相同几何构造特征的试件 (S-4, S-8 及S-9),其峰值荷载由C30 对应的55. 4 kN 增加至C50 对应的71. 5 kN;此外,试件的破坏模式随筋材直径及锚固长度的增加由筋材受拉断裂转变为筋材拔出破坏或混凝土劈裂破坏;试验所得的试件荷载-滑移曲线表现出典型的4 阶段受力破坏特征,分别为微滑移段、滑移段、下降段和残余段。研究成果可为GFRP 筋在混凝土结构中的应用提供参考。     

GFRP筋与混凝土黏结性能试验研究

为研究玻璃纤维增强复合材料筋(glass fiber reinforced polymer bars, GFRP筋)与混凝土的黏结性能及破坏模式,进行了9组GFRP筋与混凝土的单向拉拔试验。试验设计中考虑了GFRP筋锚固长度、GFRP筋直径及混凝土强度的变化对GFRP筋锚固性能的影响。试验结果表明:GFRP筋与混凝土间的黏结强度随筋材锚固长度及混凝土强度的增加而显著提高;对于筋材直径为12mm的试件,其峰值荷载由锚固长度30 mm对应的24. 4 kN增加至锚固长度120 mm对应的71. 5 kN;对于相同几何构造特征的试件(S-4,S-8及S-9),其峰值荷载由C30对应的55. 4 kN增加至C50对应的71. 5 kN;此外,试件的破坏模式随筋材直径及锚固长度的增加由筋材受拉断裂转变为筋材拔出破坏或混凝土劈裂破坏;试验所得的试件荷载-滑移曲线表现出典型的4阶段受力破坏特征,分别为微滑移段、滑移段、下降段和残余段。研究成果可为GFRP筋在混凝土结构中的应用提供参考。     

型钢-钢纤维混凝土黏结应力组成及影响因素分析

为了研究型钢-钢纤维混凝土界面的黏结应力组成,以截面类型、界面锚固长度、钢纤维掺量和钢纤维混凝土保护层厚度为变化参量,完成了34根试件的推出试验,分析了试件的损伤破坏及裂缝发展形态,获得了加载端和自由端的荷载-滑移曲线。基于荷载-滑移曲线上的4种临界状态,根据界面黏结应力与外荷载的平衡关系,提出了黏结应力各组成部分的计算公式,最后分析了各因素对界面黏结应力的影响规律。研究结果表明：黏结界面的失效可分为3个阶段,即界面无损阶段、界面黏结部分失效及裂缝发展阶段、界面黏结完全失效及试件破坏阶段;型钢与钢纤维混凝土界面的黏结应力是由化学胶结应力、摩擦应力和机械咬合应力3种应力共同组成,黏结应力沿界面长度方向呈非均匀分布状态,其中化学胶结应力只存在于固定黏结扩散区;界面黏结应力组成中,化学胶结应力所占比重最大,摩擦应力次之,机械咬合应力最小;化学胶结应力随界面锚固长度的增加而减小,摩擦应力随钢纤维混凝土保护层厚度和钢纤维掺量的增加而增大,机械咬合应力随钢纤维混凝土保护层厚度的增加而增大。     

钢筋与超高性能混凝土粘结锚固试验研究

通过钢筋的中心拔出试验,分析钢筋直径、相对锚固长度及超高性能混凝土(UHPC)材料对钢筋与UHPC间粘结性能的影响,得出各参数对试件粘结锚固性能的影响规律,并对钢筋在UHPC中的锚固长度提出设计建议。试验结果表明:钢纤维的存在大大提高UHPC的抗拉性能和整体性,其不会发生劈裂破坏;UHPC材料对粘结锚固强度影响不大;粘结锚固强度随着钢筋直径的增大而减小;大于25mm钢筋直径,在设计锚固长度时,应考虑颈缩效应的影响。     

冷轧带肋钢筋与混凝土粘结锚固性能试验研究

通过2种类型共50组冷轧带肋钢筋与混凝土粘结锚固试件的拔出试验,分析了混凝土强度、锚固长度、钢筋直径、保护层厚度、横向配箍率等因素对粘结锚固性能的影响,提出了冷轧带肋钢筋粘结锚固强度和设计锚固长度的计算公式,为国家行业标准《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》(JGJ95-2011)的修订提供了依据。     

配筋UHPC矩形梁抗扭承载性能试验与计算方法

针对配筋超高性能混凝土（UHPC）构件的抗扭性能研究严重不足的状况，进行10个不同配筋率UHPC矩形梁的纯扭试验。研究参数主要包括钢纤维掺量、纵筋配筋率和箍筋配筋率。观察或测试试件的扭转破坏过程及形态，获得裂缝开展及分布情况、失效模式、扭矩-扭率曲线、扭矩-UHPC应变曲线、扭矩-钢筋应变曲线、开裂扭矩及极限扭矩等数据，分析不同参数对其扭转性能的影响规律及其主要机理。研究结果表明：扭矩不大于无筋UHPC试件极限扭矩时，配筋构件抗扭刚度小于无筋构件；配筋及无筋试件的纯扭破坏均表现为多条主裂缝贯通，且裂缝呈空间螺旋状分布；无配筋试件形成少量斜裂缝，极限扭率较小，破坏过程迅速；配筋试件形成细且密的斜裂缝、极限扭率较大、延性更好；根据实测的极限扭矩扭率增幅情况，以及纵、箍筋屈服情况，受扭的UHPC配筋试件可分为少筋Ⅰ类构件（含无筋构件）、少筋Ⅱ类构件、适筋构件、部分超筋构件、超筋构件；钢纤维改善了UHPC抗拉特征，使得主裂缝开裂角度（裂缝与试件轴线的夹角）增加；钢纤维掺量由2.5%增加到3.5%，试件开裂扭矩和极限扭矩分别提高了23.2%和20.9%。在试验的基础上，根据扭转试件即将开裂时实测的拉压应力状态以及二维应力状态下的强度准则，得到UHPC构件开裂扭矩系数值；最后，根据试验结果得到了UHPC极限扭矩计算公式的截面抗扭系数。     

基于正交试验的钢渣微粉超高性能混凝土抗压强度影响因素分析

为研究钢渣微粉代替部分矿粉配制超高性能混凝土(UHPC),针对级配设计中的因素影响问题，利用正交试验法对钢渣微粉UHPC的配合比进行优化设计，研究硅灰、钢渣微粉、河砂、钢纤维等4个因素掺量对钢渣微粉UHPC抗压强度的影响。研究表明：钢渣微粉、钢纤维掺量对钢渣微粉UHPC的抗压强度影响较大，河砂、硅灰掺量对其影响较小；UHPC抗压强度随硅灰、河砂、钢纤维掺量的增加先增大后减小，随钢渣微粉掺量增加逐渐降低；在基础配合比的基础上，将硅灰掺量增加10%、钢渣微粉减少10%,河砂增加10%,钢纤维体积掺量增加1.5%后，制备出的钢渣微粉超高性能混凝土效果最佳，强度可达到140 MPa。     

新型大直径GFRP筋锚具设计及试验研究

针对单根大直径GFRP筋因体表比过大难以锚固的问题，对已有黏结楔式锚固体系作出改进，将直接浇筑于锚筒和筋材之间的黏结介质替代为环氧树脂并在装配前进行预制；在环氧树脂楔块与锚环之间设计锥角差以消除加载端的剪切效应。通过理论分析新型锚具的受力机理，推导出锚具内力的分布规律以及锚具承载能力估算公式，从而为设计尺寸提供依据；利用有限元软件ABAQUS对9组不同内坡角和锥角差的新型锚具进行受力模拟，得到一组最优设计参数使锚固系统承载力达到最大，据此制作实体锚具对Φ32 mm的GFRP筋材进行静力拉伸试验。结果表明：新型锚具的设计参数相互影响，锥角差显著影响内部结构受力，锥角差越大锚具承载力越大，但过大锥角差可能会产生过大径向压力从而对楔形体造成破坏。内坡角越大锚具承载力越大，但过大的内坡角会导致筋材所受夹持力过小从而发生整体滑脱破坏；以锚筒长度235 mm为例，其最优的内坡角可取10%，锥角差取0.5°；预制楔形块的轴向刚度和强度对新型锚固体系的影响巨大，楔形块加入轴向FRP筋可防止黏结介质拉裂，从而有效提高内部结构的整体工作性能；新型锚具能够将复杂应力状态后移至有效锚固区后部分，避免了加载端的剪切效应，在有效锚固段受力始终均匀变化，可充分发挥GFRP大直径筋材抗拉能力；以Φ32 mm的GFRP筋材为例，极限承载力可达629.4 kN，远超GFRP筋材标准承载力，最高锚固效率达到139.9%，破坏方式主要以炸丝为主，静力锚固性能可靠。     

UHPC直剪性能试验与直剪承载力计算方法

针对超高性能混凝土（UHPC）直剪性能研究较为缺乏的现状,开展24个“Z”形UHPC整体浇筑试件和24个“Z”形UHPC平接缝试件（用高压水凿毛先浇界面）的直剪试验,以得到钢纤维特性以及浇筑方式对UHPC （直剪）初裂强度、峰值强度、破坏模式以及直剪承载力的影响;并基于试验结果及UHPC细观本构模型开展了UHPC直剪承载力的理论分析研究。结果表明：无纤维UHPC整体试件和钢纤维掺量未超过3.0%的平接缝试件直剪破坏模式均为脆性破坏,纤维掺量达到2.5%的整体试件具备剪切延性破坏的特征;纤维掺量达到2.5%的平接缝试件界面处新老UHPC结合紧密;整体界面和平接缝界面直剪的初裂强度与峰值强度均随纤维掺量增加而显著增加,且峰值强度随纤维掺量几乎呈线性变化;纤维形状与长径比对整体界面初裂强度和峰值强度的影响不大,对平接缝界面则长纤维优于短纤维,异形纤维优于平直形纤维;整体界面和平接缝界面直剪的峰裂比（峰值强度与初裂强度之比）为103.5%~166.7%,整体界面峰裂比均显著大于纤维掺量相同的平接缝界面,2种界面的峰裂比均随钢纤维掺量增加而增加。建立了平接缝界面与整体界面直剪峰值强度之比η（简称直剪强度比）与纤维特征参数λ_f之间的高精度拟合公式。此外,还分别提出了高精度的UHPC整体界面和平接缝界面的直剪承载力计算公式。     

钢纤维特性对无配筋UHPC矩形梁抗扭性能的影响

钢纤维能明显提升超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)的抗拉强度与韧性，对UHPC构件的扭转行为有显著影响。为深入研究钢纤维特性对UHPC矩形梁抗扭性能的影响规律，以钢纤维体积掺量、类型、尺寸以及混杂效应等为变化参数，完成了8根UHPC矩形梁(含1根未掺钢纤维的对比梁)的纯扭试验；获得了各试件的纯扭破坏形态、扭矩-扭率曲线、扭矩-应变曲线、裂缝形态等关键数据。结果表明：对比梁为脆性破坏，纤维增强UHPC梁的破坏则是有征兆的；纤维增强UHPC梁的开裂和极限扭矩均明显大于对比梁，最大提升幅度分别达79%和159%；增加钢纤维体积掺量能提高开裂和极限扭矩，且斜裂缝数量更多、宽度更小；掺端钩纤维试件的抗扭承载能力和延性均优于掺圆直纤维试件；钢纤维长径比越大，试件的裂缝分布越密集，极限扭率越大，延性越好；2根混掺纤维试件的开裂和极限扭矩均大于单掺试件，正混杂效应明显；钢纤维类型和尺寸均会影响试件的裂后承载能力，掺长径比65的圆直钢纤维在开裂后迅速达到极限状态，极限与开裂扭矩之比为1.07～1.18，长径比为100时对应的比值为1.46，而掺端钩纤维则为1.34，介于两者之间。最后，提出了UHPC矩形梁开裂和极限扭矩计算公式；并对30根UHPC矩形梁进行了验证，结果表明计算公式精度良好。     

玄武岩纤维筋与高强纤维混凝土粘结性能及本构模型研究

为了研究玄武岩纤维筋与高强玄武岩纤维混凝土的粘结性能,选用直径分别为10mm、14mm和18mm的玄武岩纤维筋埋入边长150mm的立方体试块中,玄武岩纤维筋与混凝土的中心粘结长度分别为40mm、70mm和100mm,混凝土中短切纤维丝的体积掺量分别为0％、0．1％、0．15％和0．2％。通过改变BFRP筋的直径、锚固长度以及纤维掺量,研究高强玄武岩纤维混凝土与玄武岩纤维筋的粘结性能。试验结果表明：平均粘结强度随锚固长度的增大而降低,随玄武岩纤维筋直径的增大而减小;通过三种纤维掺量比较,当纤维掺量为0．2％时,粘结强度最为理想。二者的粘结滑移本构模型符合连续曲线模型。     

掺钢纤维无配筋UHPC矩形梁抗扭性能试验研究

为研究掺钢纤维无配筋超高性能混凝土(UHPC)矩形梁的抗扭性能,分析钢纤维类型对梁体纯扭受力行为的影响,设计制作4根UHPC矩形梁[包括未掺钢纤维试件1根;掺短圆直、长圆直、端钩钢纤维试件各1根(钢纤维长分别为13,20,13 mm,直径均为0.2 mm,体积掺量均为2%)],并设计1套纯扭加载装置进行试件纯扭试验。基于试验结果,分析各试件在纯扭作用下的扭矩～扭率曲线、开裂和极限扭矩、扭矩～应变曲线、裂缝分布等,并推导UHPC矩形梁的抗扭承载力计算公式,将计算值与试验值进行对比验证。结果表明：掺入钢纤维使UHPC试件由脆性破坏变为延性破坏,且开裂和极限扭矩均有明显提升,最大提升幅度分别为45.6%和100.6%;当体积掺量不变时,钢纤维类型对无配筋UHPC梁开裂扭矩和扭率影响较小,但对极限扭矩和扭率以及裂缝分布有较大影响;掺端钩纤维试件和掺长圆直纤维试件的抗扭承载力和延性均优于掺短圆直纤维试件;掺钢纤维UHPC梁在纯扭作用下的主拉和主压应变显著高于未掺试件,表明钢纤维可以有效“桥联”UHPC基体;试件的抗扭承载力试验值和计算值比值的平均值为0.93,标准差为0.09,说明提出的抗扭承载...     

GFRP筋纤维增韧高强轻骨料混凝土受弯构件挠度分析

为研究GFRP筋纤维增韧高强轻骨料混凝土梁变形规律，完成10根高强轻骨料混凝土梁受弯性能试验，重点分析了纤维掺量、纵筋种类、GFRP筋配筋率和GFRP筋直径对试件不同受力阶段变形的影响；明确了GFRP筋混凝土受弯构件正常使用阶段应变及应力分布；基于刚度解析法，结合文献中GFRP筋普通混凝土受弯构件挠度实测数据，给出GFRP筋应变不均匀系数计算公式，综合考虑轻骨料、钢纤维及GFRP筋配筋率的影响对其进行修正；基于该公式对各试件使用荷载下的挠度进行计算，并与美国规范（ACI 440.1R-15）、中国规范（GB 50608-2010）和加拿大规范（CSA S806-12，ISIS-M03-07）的计算结果进行对比分析。结果表明：随配筋率的增大，试件破坏模式依次表现为GFRP筋拉断破坏、平衡破坏和混凝土压碎破坏；混凝土压碎破坏试件弯矩-挠度曲线分为开裂前阶段、裂缝开展阶段和受压破坏阶段，而平衡破坏和GFRP筋拉断破坏试件仅具有前2个阶段。轻骨料混凝土掺入钢纤维能够抑制构件开裂后刚度退化，降低混凝土压碎破坏脆性；提高GFRP筋配筋率可减小试件变形，GFRP筋直径对其无显著影响。采用中国规范（GB 50608-2010）计算试件正常使用极限状态下的挠度，结果稍显不安全；美国规范（ACI 440.1R-15）计算结果略偏保守；加拿大规范（ISIS-M03-07）与（CSA S806-12）计算值均具有一定的安全储备；建议公式计算结果较为准确且离散性较低，能够用于该类构件挠度的计算。     

低配筋UHPC中空短柱轴心受压力学性能

为研究低配筋UHPC中空短柱在轴心受压下的极限承载能力及其影响因素，以UHPC材料特性研究为基础，设计并制作18根不同壁厚、不同箍筋间距的低配筋UHPC中空短柱，开展轴心受压破坏试验研究及理论研究。采用控制变量法对比分析宽厚比、箍筋间距对低配筋UHPC中空短柱的极限荷载、破坏形态、轴向和横向变形的影响。研究结果表明：所有UHPC中空短柱在达到极限承载能力的70%之前，力学性能接近线弹性变化，侧向变形较小，在0.5 mm之内；随着变形的增大，试件出现微小裂缝并伴有钢纤维拔出声，细而密的裂缝显著增多，达到极限荷载时，试件均发出爆裂声；当设计宽厚比分别为5.67和3时，无箍筋UHPC空心短柱的极限承载力为理论计算值的70.88%和87.65%；随着箍筋间距加密，极限承载力有所提高，但加密至一定程度后，承载力不再增长，接近材料强度极限值；采用UHPC塑性损伤本构模型对构件进行数值模拟，分析结果与理论计算和试验结果符合较好，按照直接强度计算法得到的中空短柱极限荷载接近试验值，可供UHPC柱设计提供参考。     

钢筋与钢纤维再生混凝土黏结滑移性能及模型

为了推广钢纤维再生混凝土在道路、桥梁等工程中的应用,以再生骨料取代率(0%、30%、50%和100%)和钢纤维体积率(0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)为试验参数,设计了11组不同配合比的钢纤维再生混凝土,制作了33个钢筋与钢纤维再生混凝土黏结试件,进行内贴应变片的钢筋与钢纤维再生混凝土黏结试件的拔出试验。结果表明:钢筋与钢纤维再生混凝土黏结应力沿黏结区段的分布存在2~3个峰值,黏结段内的黏结刚度沿黏结长度变化是引起黏结应力和滑移沿黏结段不均匀分布的主要原因;黏结刚度分布的均匀性随再生骨料取代率的增加而提高,再生骨料取代率为50%时的黏结刚度分布均匀性较好;掺入钢纤维后,黏结刚度均匀性得到了提高,但钢纤维体积率2.0%试件的黏结刚度均匀性变差;加载端滑移随再生骨料取代率的增加而增大,随着钢纤维体积率的增加而降低;黏结应力分布均匀性随再生骨料取代率和钢纤维体积率的增加而提高,距离自由端最近的峰值应力随再生骨料取代率的增加而增大,钢纤维体积率的影响较小;钢筋与钢纤维再生混凝土黏结应力滑移曲线的形状不随黏结位置的变化而改变。最后,提出了考虑再生骨料取代率和纤维体积率影响的钢筋与钢纤维再生混凝土黏结-滑移本构模型。     

CFRP筋新型机械夹持-黏结型复合式锚具短期静力性能试验

为充分发挥CFRP筋高强轻质的特性,设计了一种新型机械夹持-黏结型复合式锚具,通过改变锚具的黏结长度、黏结介质倾角和黏结介质掺合料,以及是否设置夹片等参数,对6组锚具进行试验研究,测试CFRP筋新型锚具的极限荷载、荷载-滑移曲线、筋材应力和锚具钢套筒应力分布,分析不同参数对新型锚具锚固性能的影响规律,并与未设置夹片的对照组锚具进行比较,最后对3根CFRP筋材的复合式锚具锚固效果进行了试验验证。试验结果表明：新型锚具最终失效形式均表现为筋材破断破坏,且锚具锚固效率系数均满足规范规定的大于0.9的要求;筋材滑移量随着锚具黏结部分长度的增大而减小,合适的锚固长度宜为30~40倍筋材直径;锚具黏结部分倾角的减小会造成顶推力的减小,并造成锚具加载端与自由端滑移量差值增大;黏结介质中适度的掺砂量能够提升锚具的锚固性能,但当掺砂量超过一定程度时,将影响黏结介质本身的胶结性能,建议掺砂量不超过10%;无夹片组失效模式为筋材与胶体黏结滑移失效,锚固效率低,而新型复合式锚具由于顶推力的存在不仅能够减小锚具的整体滑移量,而且能够有效避免锚具在加载端的应力集中现象,极大改善锚具受力性能,提高锚具的锚固效率;该新型复合式锚具对多根CFRP筋材同样具有良好的锚固效果。     

FRP筋与混凝土粘结性能试验研究

进行了FRP筋与混凝土粘结性能的拉拔试验,试件的破坏形式为FRP筋滑移拔出及FRP筋断裂。试验结果表明,随着FRP筋表面加肋,锚固长度减少,混凝土强度提高,FRP筋与混凝土的平均粘结强度都有了提高。同时,对带肋FRP筋与光圆FRP筋的粘结滑移本构模型进行了分析。     

钢纤维混凝土路面接缝传荷能力试验研究

为研究正常使用状态下钢纤维水泥混凝土路面接缝的传荷性能影响因素及其衰减规律,对10块普通水泥混凝土路面板和10块钢纤维混凝土路面板进行了疲劳荷载试验。试件分别采用不同的传力杆直径、长度、混凝土板厚度及钢纤维掺量,分析了不同因素对钢纤维路面板接缝传荷能力的影响。结果表明:掺加钢纤维能够有效提高路面板的传荷能力,降低传荷能力衰减速率;钢纤维混凝土路面板的传荷能力随钢纤维掺量的增加而增大,受传力杆直径、长度影响较小;普通水泥混凝土路面板的传荷能力在最初加载的7万次过程中衰减明显,之后衰减缓慢;传力杆直径、长度及混凝土板厚度的增加,均能够提高接缝的传荷效率,但提高幅度十分有限。     

新型粗合成纤维与砂浆基体黏结性能试验研究

对3种不同直径的粗合成纤维进行了拔出试验,研究了纤维埋深、基体强度、纤维直径等因素对纤维黏结强度的影响规律.结果表明;纤维与水泥基体的黏结强度随埋深的增加而减小,最后趋于稳定;基体强度增加时,黏结强度也增加,但黏结强度随基体强度的增加同样趋于稳定;随着纤维直径增大,黏结强度稍有增加;当纤维埋深较浅时,纤维为拔出破坏,当埋深大于等于临界埋深时,会发生拨断破坏.     

砂浆锚固GFRP锚杆的粘结滑移机理

随着GFRP锚杆材料在工程中的逐渐应用,GFRP锚杆的粘结性能及工作性能也渐渐引起工程人员的重视。现有GFRP筋材的粘结性能研究多集中在小直径筋材、高强度锚固剂和较小锚固长度条件下进行,这与岩土锚固工程的实际情况不太相符。本文研究了大直径锚杆、低强度锚固剂和较长锚固长度情况下GFRP锚杆的粘结-滑移特性和其工作机理。发现GFRP锚杆的粘结-滑移曲线与钢锚杆存在差异并对差异的原因进行了分析。同时对锚杆直径、锚固剂强度及锚固长度对粘结-滑移曲线的影响进行了分析。对比现有粘结滑移模型的特点,基于试验结果建立了砂浆锚固全螺纹GFRP锚杆的粘结-滑移模型,模型与实际锚杆工作吻合较好。