碳纖維預應力筋及拉索錨固系統(tǒng)的試驗研究和理論分析.pdf

1、由于高級復合材料—碳纖維增強塑料CFRP(Carbon Fiber ReinforcedPolymer/Plastics)筋或拉索是一種橫觀各向同性材料，其抗剪強度與抗拉強度之比較低，導致傳統(tǒng)的預應力筋或拉索錨具不再適用于CFRP預應力筋或拉索，否則將會由于抗剪強度過低而導致過早失效。因此，若在預應力混凝土或拉索結構中應用CFRP預應力筋或拉索，必須研制適合CFRP預應力筋或拉索的錨固系統(tǒng)。目前有關CFRP預應力筋或拉索錨固系統(tǒng)的系統(tǒng)研

2、究成果及其應用仍較少，為了使其研究成果進一步完善，應用范圍進一步擴大，對CFRP預應力筋及拉索的錨固系統(tǒng)進行系統(tǒng)研究具有重要的實用價值和理論意義。 本文依托國家自然科學基金資助項目和教育部優(yōu)秀青年教師資助基金對CFRP預應力筋及拉索的錨固系統(tǒng)進行了系列的試驗研究和理論分析。主要的研究內容及其相應的研究成果如下： (1)開發(fā)了一種新的CFRP筋粘結式錨具，即采用活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Conc

3、rete)作為粘結介質的粘結式錨具。靜載試驗詳細研究了CFRP筋在RPC中的錨固性能，試驗參數包括CFRP筋的表面形狀、預張拉力、錨固長度、根數、間距以及套筒內壁傾角等。試驗結果表明，對于抗拉強度不大于3000MPa的表面壓紋CFRP筋，RPC抗壓強度不小于130MPa，普通粘結試件的臨界錨固長度為20倍筋材直徑；對于預張拉粘結試件，當預張比為56％時，錨固系統(tǒng)具有最短臨界錨固長度，為13倍筋材直徑。根據試驗結果，建立了平均粘結強度、平

4、均粘結強度對應的滑移量、臨界錨固長度以及粘結滑移本構模型，并驗證了其適用性。 (2)通過試驗研究得到了CFRP筋在RPC中粘結應力沿埋長分布的實測曲線，并建立了粘結應力沿埋長分布的位置函數的計算式。在試驗研究的基礎上，從粘結錨固性能的平衡方程、變形方程以及本構方程出發(fā)，推導了粘結應力、CFRP筋軸向應力、滑移量以及位置函數等錨固變量沿錨長分布的理論計算公式。試驗結果驗證了理論推導的可行性。對CFRP筋的粘結錨固變量沿埋長分布進行

5、了預測分析及相關的參數分析。分析結果表明，對于光滑CFRP筋，當埋長在15倍筋材直徑至45倍筋材直徑之間時，不均性系數變化均很小，且接近1.0；對于壓紋CFRP筋，當錨長小于或等于12.5倍筋材直徑時，粘結應力沿埋長分布較為均勻，其不均系數在1.02～1.05之間；當埋長大于12.5倍且小于或等于臨界錨固長度20倍筋材直徑時，粘結應力沿埋長分布不均勻，其不均性系數在1.06～1.14之間。 (3)研究了FRP筋粘結式錨具的粘結界

6、面模型以及界面徑向彈性模量，推導了受鋼套筒約束的粘結介質及FRP筋在徑向應力作用下的位移計算式，并驗證了其可行性。然后再根據彈性應變能等效原則，得到了由徑向位移表達的界面徑向彈性模量的計算式。參數分析了各變量對界面徑向彈性模量的影響。分析表明，當粘結介質外徑大于1倍筋材直徑，筋材肋間距大于1倍筋材直徑，筋材肋寬大于0.5倍筋材直徑，鋼套筒厚度大于2.5mm時，其粘結介質RPC外徑、筋材肋間距、筋材肋寬、鋼套筒厚度等參數對粘結界面的徑向彈

7、性模量影響較小。在有限元數值分析時，考慮界面徑向彈性模量的Bar—scale模型能夠較好的預測粘結模型的徑向反應。 (4)傳統(tǒng)的夾片式錨具應用于CFRP預應力筋時必須進行改進，改進后的夾片式錨具由央片、錨杯、塑料薄膜以及薄壁鋁套管等組成。試驗研究錨杯長度、錨杯傾角、夾片預緊力、筋材預張拉、凹齒間距、深度和寬度以及鋁套管厚度等參數對夾片式錨具極限承載力及CFRP筋和夾片的滑移量等錨固變量的影響。試驗結果表明，當錨杯傾角為3°、夾片

8、預緊力為100kN、鋁片厚度為1mm、凹齒間距和深度分別為12.85mm和0.3mm時，夾片式錨具的實測極限荷載最大為185kN，相應的錨固效率系數為96.4％。錨杯環(huán)向應力和軸向應力的實測值與預測值吻合良好，驗證了錨杯應力分析的可靠性?；谠囼灲Y果建立了夾片式錨具極限荷載的計算式。 (5)采用ANSYS軟件建立了CFRP筋央片式錨具數值模型，該模型為軸對稱模型，涉及材料非線性和接觸非線性。計算終止判斷依據為Tsai—Wu準則。

9、計算結果與實測結果對比驗證了數值模型的有效性。參數分析表明，各參數的最佳取值：錨杯傾角為2.5°、夾片與錨杯之間的角度差為0.1°、錨杯長度為90mm、錨具自由端處夾片端部至錨杯端部之間的距離為10mm、薄壁鋁套管的厚度為1mm、夾片與錨杯之間的摩擦系數為0.03、鋁套管和CFRP筋之間的摩擦系數為0.50。數值結果是試驗結果有益的補充。 (6)根據普通拉索錨固體系的特點，提出了錨固CFRP筋的復合式錨具。靜載試驗研究了錨杯長度