AFRP筋混凝土粘结强度和锚固长度的试验研究(精)

何荣炳 江世永 熊 晔

(中国人民总后勤部 北京 102417)

摘 要:通过对27个拉拔试件和16个梁式试件的试验,探讨AFRP筋与混凝土的粘结滑移关系、粘结强度,并且综合分析其他文献的结果,提出简化的局部粘结滑移本构关系和拔出破坏模式下锚固长度的计算公式。

关键词:芳纶纤维塑料筋 混凝土 粘结强度 锚固长度

EXPERIMENTALSTUDYONBONDSTRENGTHANDANCHORAGELENGTH

OFAFRPBARSINCONCRETE

HeRongbing JiangShiyong XiongYe

(LogisticsDepartment,PLA Beijing 102417)

Abstract:Basedontestsof27pul-loutspecimensand16beamspecimens,thebond-sliprelationandbondstrengthbetweenAFRPbarsandconcretearediscussed.Andaccordingtootherreferencesoftheexperimentalresult,thesimplificationoflocalbond-slipconstitutiverelationandacalculationformulaofanchoragelengthofAFRPbarswithpulloutfailureareobtained.

Keywords:AFRPbars concrete bondstrength anchoragelength

影响侵蚀性环境中服役的钢筋混凝土结构的耐久性的重要因素之一是钢筋锈蚀。近十几年来,国内外的研究已证明纤维增强塑料(简写FRP)筋可以

较好地解决这一问题。FRP筋具有强度高、重量轻、耐腐蚀性好、抗磁性能强等优点,因此其成为土木工

[1-2]

程中普通钢筋和预应力钢筋的首选替代材料。

AFRP筋与混凝土的粘结性能是AFRP筋与混凝土协同工作的基本前提,也是影响AFRP筋混凝土构件裂缝开展及变形能力的主要因素,因此粘结性能研究是AFRP筋混凝土结构理论中最重要的基本问题之一。通过对27个拉拔试件和16个梁式试件的试验,以探讨AFRP筋与混凝土的粘结滑移关系、粘结强度,并且综合分析其他文献的结果,提出简化的局部粘结滑移本构关系和拔出破坏模式下AFRP筋锚固长度的计算公式。1 试验概况及有关成果111 材 料

试验中所使用的AFRP筋由日本Technora株式会社提供,名义直径分别为6、714、13mm三种,其制造工艺是采用芳纶纤维作为纵向增强纤维,与乙烯酯树脂材料结合,再通过挤拉工艺成型为棒材。为了增强AFRP筋与混凝土的粘结强度,将芳纶纤维

IndustrialConstructionVol138,No17,2008

[3]

细束在棒材环向缠绕制作成肋,从而制成变形AFRP筋。

根据AFRP筋供应商提供的资料,AFRP筋的主要力学性能见表1。

表1 芳纶纤维筋的力学性能Table1 MechanicalbehaviorofAFRPbars

直径P有效截面积P单位质量P极限拉力P弹性模量P极限mmmm2(g#m-1)kNGPa延伸率P%671413

28134214133

4162171

5883209

318316-

112 试件设计

试件设计为:拉拔试件、简支梁试件。拉拔锚固试件为混凝土长方体,AFRP筋置于试件中心。试件制作时,为控制筋的埋置长度和消除加载时混凝土压应力对粘结性能影响而在AFRP筋受拉端埋置有套管,将AFRP筋与混凝土分隔,试件及加载装置见图1。梁式试件采用简支梁,构件中设有箍筋用于提高抗剪能力和避免混凝土劈裂破坏。试件制作时,

第一作者:何荣炳 男 1982年7月出生 硕士 助理工程师

E-mail:herongbing1982@sohu.com

收稿日期:2007-03-10

工业建筑 2008年第38卷第7期 71

在埋筋的加载端和自由端均设置套管,使AFRP筋与混凝土脱离,从而控制筋的埋置长度同时避免拔出时端部混凝土对筋的挤压作用,试件装置见图2。

第一阶段是微滑移阶段。当拉力较小时,AFRP筋受力端荷载滑移曲线呈线性,且自由端的滑移量为零。在此阶段,AFRP筋的拉拔力主要通过化学1-塑料管;2-树脂套筒;3-百分表;4-试件;

5-垫板;6-压力传感器注:a为锚固段;b为压力传感器图1 拉拔试件及加载装置图

Fig.1 Pulloutspecimensandloadingequipment

图2 梁式试件装置

Fig.2 Diagramofbeamspecimensequipment

为了考察AFRP筋与混凝土粘结性能的主要影响因素,分别以混凝土强度(C25~C65)、AFRP筋直径(6、714、13mm)、埋置长度(5df~40df)、配箍率等作为试验变量。试验采用油压千斤顶-反力架体系进行加载,加载制度参照5混凝土结构试验方法标准6(GB50152-92)执行,分别在试件两端安装百分表量测各级荷载下加载端和自由端滑移。113 荷载-滑移(P-S)试验曲线特征

根据各级加载值以及对应的锚筋加载端、自由端位移试验数据可得荷载-滑移曲线。图3为梁式构件中编号为BA-Ñ-1试件的典型荷载-滑移曲线。图中AFRP筋直径为714mm,埋置长度为74mm,混凝土强度为2718MPa。由图中可见,P-S曲线大致可分为四个阶段:

)

w

)加载端滑移;)

u

)自由端滑移

图3 P-S曲线(BA-Ñ-1)Fig.3 P-Scurve(BA-Ñ-1)

72

粘着力传递给混凝土。

第二阶段是滑移阶段。当加载约至013Pu(Pu

为极限拉拔荷载)时,自由端的粘着力破坏,开始出现滑移,加载端的滑移加快增长。此后,滑移与荷载进入一段较为短暂的稳定增长阶段,开始呈现非线性状态。此时,AFRP筋拉拔力主要通过摩阻力和机械咬合力传递至混凝土。当加载至(018~019)Pu时,在荷载稍微增加甚至不增加的情况下,滑移的增

长加快、加大,呈现明显的非线性状态。此后,当荷载增加至Pu时,AFRP筋表面肋与AFRP筋突然发生剥离,此刻可听到响亮的爆裂声,荷载-滑移曲线出现明显的转折点。

第三阶段是下降段:达到峰值后,荷载迅速下降,滑移大幅增长。

第四阶段是残余段:当滑移达到一定的限值时,荷载不再下降而略有回升,出现P-S曲线的上升、下降更替,滑移继续急剧增加,荷载减小,直至AFRP

筋从混凝土中拔出。AFRP筋的破坏特征主要是拔出破坏,即筋的外缠肋和表层树脂被剥离和剪切破坏。

114 粘结破坏模式

目前普遍认为,FRP筋混凝土粘结破坏存在三种模式[4]

:1)混凝土沿FRP筋表面边缘的发生剪切破坏或FRP筋的表面肋被剪切破坏而将FRP筋拔出,称为拔出破坏。2)混凝土保护层薄弱而抗裂强度又较低时会发生混凝土纵向劈裂破坏。3)混凝土强度较高且埋入长度较长时发生在混凝土试件外的FRP筋达到极限强度而被拉断。本次试验中绝大部分的试件的破坏模式为1或3,仅一个试件发生混凝土劈裂破坏。显然混凝土劈裂破坏并没有充分发挥FRP筋真正的粘结强度,通过增加混凝土的保护层或提高其抗裂强度,粘结强度将会提高,因此,实际工程中应采取构造措施避免混凝土劈裂破坏。115 平均粘结强度

AFRP筋的粘结强度定义为在粘结长度内粘结应力的平均强度,其计算公式为:

S=

P#Pfla

(1)

式中,S为AFRP筋与混凝土之间的平均粘结应力;P、df和la分别为加载端的拉拔力、筋的名义直径和埋置长度。

根据式(1),本次试验中发生粘结破坏的拉拔试

工业建筑 2008年第38卷第7期

件的实测平均粘结强度结果见表2,粘结强度随着混凝土强度、粘结长度、筋直径不同而变化。从表中可见,AFRP筋混凝土的粘结强度随混凝土强度的提高而提高,但增加的幅度随混凝土强度的提高而显著下降;随AFRP筋直径的增大而降低,随埋置长度的增加而减小。

表2 AFRP筋混凝土平均粘结强度

Table2 TheaveragebondstrengthofAFRPrebarconcrete

试件组混凝土强度PAFRP筋埋置长度P平均粘结编号MPa直径Pmmmm强度PMPaA-ÑA-ÒA-ÓB-ÑB-ÒC-ÑC-Ò

27185813721552145219

59135713

7147147146101310714714

37(5df)37(5df)37(5df)30(5df)65(5df)74(10df)148(20df)

71111071218091438143111311110

破坏模式

[4]

图4 局部S-s曲线Fig.4 LocalS-scurve

拔出拔出拔出拔出拔出拔出拔出

注:平均粘结强度为每组3个试件实测值的平均值;B-Ò组试

件中有一个试件发生劈裂破坏。

2 AFRP筋混凝土的局部粘结滑移本构关系由于有限元方法在AFRP筋混凝土基本理论和结构分析中的应用,要求确定AFRP筋与混凝土之间粘结-滑移的准确关系,提出能反映AFRP筋与混凝土粘结滑移受力全过程的局部S-s本构关系。目前,已有的粘结滑移模型为BPE模型、改进的BPE模型、Malvar模型、CMR模型和连续曲线模型。本文根据上述AFRP筋混凝土粘结试验结果,并参考文献[6]关于FRP筋混凝土粘结锚固的研究成果,考虑到大多数结构计算问题仅考虑使用阶段,只需对粘结滑移曲线的上升段加以较精确描述,将AFRP筋局部S-s关系表达为如下形式:

S=Sm1-ssm

A

2

[5-6]

s试验值;)))理论值

图5 拉拔试件B-Ñ-2局部S-s曲线Fig.5 PulloutspecimensB-Ñ-2localS-scurve

3 AFRP筋混凝土的锚固长度计算公式

311 基本锚固长度

在某一特定的锚固长度下,锚固力等于AFRP筋的抗拉强度,即锚固失效与AFRP筋受拉断裂同时发生,此时的锚固长度称为/基本锚固长度0。可见,基本锚固长度实际上就是当拉拔力P到达AFRP筋的抗拉强度时,筋从混凝土中不被拔出的最小锚固长度。根据粘结强度和AFRP筋的极限抗拉强度(公式中用粘结强度和AFRP筋抗拉强度设计值来表达)相等作为极限状态,可得由粘结强度确定的基本锚固长度为:

ldb=

2

-1

s[sm

(2a)

Sm-Sr

S=Sm-(s-sm) sm[s[sr(2b)

sr-smS=Sr s\\sr

(2c)

式中,Sm,sm为极限粘结应力,相应的滑移;Sr,sr为残余粘结应力,相应的滑移;A为不大于1的参数,是考虑筋的强度、表面特征和位置等对粘结性能影响的修正系数,由试验数据回归拟合。

本试验中A的取值采用最小二乘法拟合,可取为016。局部S-s曲线的形式见图4。图5为拉拔试验中编号为B-Ñ-2试件的局部S-s曲线,图中由试验得出的加载端粘结滑移特征值为Sm=917MPa、Sm=1141mm、Sr=513MPa和Sr=3199mm。拟合结果表明,本文所提出的曲线模型与试验数据基本吻合。

AFRP筋混凝土粘结强度和锚固长度的试验研究)))何荣炳,等

ffuAfffudf

=PdfSu4Su

(3)

式中,ldb为基本锚固长度,mm;Af为筋的名义横截面积,mm;df为筋的名义直径,mm;Su为平均粘结强度,MPa;ffu为AFRP筋考虑环境影响修正后的抗拉强度设计值,MPa。

本试验中,在结构的构造措施可靠的情况下,AFRP筋混凝土粘结破坏的主要模式为拔出破坏,

因此本文主要探讨拔出破坏模式下AFRP筋锚固长度的计算方法。图6是拔出破坏模式下粘结强度与锚固长度的关系,采用图中较长埋入长度情况下(ld\\10d)名义粘结应力的下限值且偏安全的取

73

310作为锚固长度计算参数,则式(3)为:

ldb=

ffudf12ft

(4)

1)AFRP筋混凝土拉拔至破坏的受力过程可分为微滑移段、滑移段、下降段和残余应力段。荷载滑移曲线主要呈现非线性特征,且加载端滑移明显大于自由端。

2)AFRP筋表面肋的剪切强度和刚度对粘结破坏模式有重要的影响。FRP筋与混凝上之间的粘结破坏主要表现在筋肋被剪坏或剥离,因此应改善AFRP筋的表面加工质量以提高粘接强度。

3)提出AFRP筋局部粘结滑移本构关系,为进一步进行有限元非线性分析提供了基础。

4)给出了发生拔出破坏模式时,AFRP筋混凝土锚固长度的计算公式。由于试验数据较少,计算公式不很完善,需要进一步研究。

式中,ft为混凝土抗拉强度设计值,为控制高强混凝土中锚固长度不致过短,当混凝土强度高于C40时,

[5]

按C40取值。

图6 粘结强度与埋长的关系

Fig.6 Therelationbetweenbondstrengthandgriplength

参考文献

1 AmericanConcreteInstitute-Committee440(2003).GuidefortheDesignandConstructionofConcreteReinforcedwithFRPRebars.ACI440.1R-03,ACI,FarmingtonHills,MI,USA

2 MicelliF,NanniA.MechanicalPropertiesandDurabilityofFRPRods,ReportNo.00-22CIES,UniversityofMissouriRolla,2003

3 PecceM,ManfrediG,RealfonzoR,etal.ExperimentalandAnalyticalEvaluationofBondProperties.JournalofMaterialsinCivilEngineering,

312 锚固长度

国外学者普遍认为,FRP筋的锚固长度是在基本锚固长度ldb的基础上,考虑不同影响因素(如:顶部筋修正系数、保护层修正系数等)将其进行修正得到的。由此,式(4)可变换为:

ld=kmldb

ffudf

=km#

12ft

(5)

2001,13(4):282-290

4 AchillidesZ,PilakoutasK.BondBehaviorofFiberReinforcedPolymerBarsunderDirectPulloutConditions.J.Compos.forConstr.,ASCE,2004,8(2):173-181

5 CosenzaE,ManfrediG,RealfonzoR.BehaviorandModelingofBondofFRPRebarstoConcrete,J.Compos.forConstr.,ASCE,1997,1(2):40-51

6 高丹盈,谢晶晶,李趁趁.纤维聚合物筋混凝土粘结性能的基本问题.郑州大学学报(工学版),2002,23(1):1-57 GB50010-2002 混凝土结构设计规范

式中,ld为锚固长度,mm;km为置筋位置修正系数,取值可参考文献[1]。4 结 论

本文基于27个拉拔试件和16个梁式试件,较为详细的分析了AFRP筋与混凝土的粘结性能,得出以下主要结论:(上接第57页)

61-77

参考文献

1 沈珠江.理论土力学.北京:中国水利水电出版社,2002:187-2292 肖大平.滑移线法求解极限承载力问题的一些进展.岩土工程

学报,2002,24(1)1-11

3 黄传志,张美燕,孙万禾.地基承载力问题中的破坏模式与度量

标准.中国港湾建设,2006,145(5):1-5

4 黄传志,姜明宝,张 敬.偏心倾斜荷载作用下的地基承载力计

算方法.岩土工程学报,2003,25(1):96-101

5 AbdulHamidSoubra.UpperBoundSolutionBearingCapacityof

Foundations.

Journal

of

Geotechnical

and

Geo-Environmental

Engineering,1999(1):59-69

6 SloanSW.LowerBoundLimitAnalysisUsingFiniteElementsand

LinearProgramming.Int.J.NumerAnal.Meth.Geomech.,1988(12):

7 SloanSW.UpperBoundLimitAnalysisUsingFiniteElementsand

LinearProgramming.Int.J.NumerAna1.Meth.Geomech.,19(13):263-282

8 SloanSW,KlemanPW.UpperBoundLimitanAlysisUsing

DiscontinuousVelocityFields.Comput.Appl.Mech.Eng.,1995,12(7):293-314

9 沈珠江.不连续解在极限土压力计算中的应用PP沈珠江土力学

论文集.北京:清华大学出版社,2005:65-76

10 张学言.岩土塑性力学.北京:人民交通出版社,1993:292-32911 杨明成,郑颖人.岩土材料滑移线场理论中的应力间断线.宁夏

大学学报,2002,23(1):34-36

12 杨明成,郑颖人.滑移线场理论中非特征线应力边界条件的解析

式.岩土力学,2002,22(4):395-398

更正:2008年5期39页中吴农单位为:西北工业大学力学与土木建筑学院,杨豪中单位为:西安建筑科技大学建筑学院,特此更正。

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