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纤维增强塑料筋(Fiber Reinforced Polymer Tendons,简称FRP筋)作为先进的非金属复合材料,被认为是替代普通钢筋和预应力钢筋用于腐蚀环境和特殊工程的最佳选择之一,在土木工程中的应用前景非常广阔。FRP筋之所以适用作为预应力混凝土结构中的预应力筋,是因为其具用抗拉强度高、徐变松弛性能和抗疲劳性能好等优良力学性能,以及低弹性模量和抗腐蚀性。然而和钢材相比,其横向抗压强度和抗剪能力较低,致使不能采用传统锚固方式对其进行锚固,这也是制约其目前不能得到广泛应用的关键因素之一,需要设计新型的锚具系统,供锚固FRP筋使用。本文在众多学者和研究人员的基础上,主要做了以下一些工作:
不同厂家生产的FRP筋所采用的纤维和树脂的类型不同,其性能也有很大不同。基于大量文献的研究数据,对FRP筋的短期力学性能及在不同环境下的长期性能作出较全面的评价。比较了CFRP筋、AFRP筋、GFRP筋性能的异同以及FRP筋与钢绞线性能的异同,并提出FRP筋合理应用的建议。作为非金属复合材料,各种FRP筋具有许多共性,但性能差别也较大。CFRP筋的强度和弹模最高、徐变断裂限值高、疲劳性能好、应力松弛小以及耐久性最好,从而成为FRP筋材中最有发展前途的一种。
通过对FRP筋力学参数试验方法的探讨,为其拉伸性能指标的检测和试验提供借鉴,代表性进行了国产CFRP筋力学性能试验,结果表明,试验筋的应力-应变呈线性关系,极限抗拉强度平均值为2356MPa,弹性模量平均值为147.70GPa。
分析了夹片-粘结型锚具和夹片-套筒型锚具的失效模式,指出组合式锚具设计中需要着重解决的问题和提高锚固效率的有效途径。提出夹片-粘结型锚具的开发思路,分析了夹片-套筒型锚具与传统预应力锚具张拉锚固工艺的异同,探索了锚固系统的锚固机理,并对锚具系统各阶段受力进行分析。
提出了一种FRP筋夹片-粘结型锚具,通过静载锚固试验,考量不同参数对其锚固性能的影响。试验结果表明,改进后的夹片-粘结型锚具能有效的锚固试验中所用的CFRP筋,锚具组装件静载锚固效率系数均超过了0.95,平均值为0.99,达到了现行适用于钢筋(丝)或钢绞线的规范要求,锚固效果良好。
基于一种CFRP筋夹片-套管型锚具的基准模型,借助有限元数值分析技术,通过对模型中的基本参数进行合理的简化,研究了夹片-套筒型锚具系统在不同锚具锥角、锚环与夹片间锥角差、锚具长度、软金属套筒材质及厚度等情况下的锚固性能。分析表明:锚具的锥角颇为关键,不宜过大或过小;锥角差过大,会减小锚具的有效锚固长度,且接触压应力峰值也随之增加,锥角差过小在夹片小端则会出现“切口效应”;锚具长度越长,CFRP筋所受接触压应力的峰值也越小,受力越有利;合适的软金属套管材质及厚度有利于CFRP筋的锚固。
提出了一种夹片-套筒型锚具,试验研究了锚具长度、锥角差、套筒材质与厚度等参数对其锚固效果的影响。静载锚固试验结果表明,本文研制的夹片-套筒型锚具能有效的锚固试验中所用的CFRP筋,120mm长锚具组装件静载锚固效率系数均超过了0.95,平均值为0.97,具有优良的静载锚固性能。
进行了两种组合式锚具动载试验,结果表明,在经受循环疲劳荷载和周期荷载后,锚具夹持区域CFRP筋均未发生破坏,锚具组装件完好,动载性能优良。试验过程中,锚具各部分均能够协同工作,形状保持良好,试验筋均未出现表皮开裂或断丝破坏现象,完全达到我国现有预应力相关规范对预应力筋锚具动载锚固性能的要求。
本文紧紧围绕FRP筋锚固问题这一主题,在国内首次系统地进行了FRP筋组合式锚具系统的静载锚固性能试验、疲劳试验和周期荷载试验,试验结果表明:本文研发的两种FRP筋组合式锚具,静载锚固性能优良,抗疲劳荷载和周期荷载性能优异,具有很高的工程应用价值。