高温后FRP筋拉伸性能及其与混凝土粘结性能试验研究

摘要

纤维增强聚合物（FRP）筋具有重量轻、抗拉强度高、耐腐蚀性能好等诸多优点，可作为钢筋的替代或补充材料用于增强混凝土结构，因此在土木工程领域受到广泛研究和实际应用。但由于FRP筋热稳定性差，在一定程度上限制了FRP筋的推广应用。与钢筋混凝土结构相似，FRP筋与混凝土的粘结性能是二者协同工作的基础。但由于高温后FRP筋会发生玻化、热分解，FRP筋与混凝土的粘结性能会发生显著变化。因此，研究高温后FRP筋力学性能及其与混凝土粘结性能对于FRP筋混凝土结构防火、抗火至关重要。本文通过拉伸试验、拉拔试验，着重研究了高温后FRP筋的纵向拉伸性能以及高温后FRP筋与混凝土之间的粘结性能。主要包括以下几方面工作:
　　 1.通过拉伸试验对高温作用前后BFRP筋和GFRP筋的纵向拉伸性能进行试验研究。试验参数包括温度、FRP筋直径、FRP筋种类和恒温时间。结果表明，随着温度的升高，FRP筋的抗拉强度逐渐下降。在试验温度范围内，高温作用对FRP筋的拉伸弹性模量影响较小。随着直径的增大，BFRP筋的抗拉强度呈增大趋势，但增大幅度较小。BFRP筋直径越小，高温后BFRP筋抗拉强度降低程度越大;不同温度作用后，FRP筋直径对弹性模量的影响没有明显规律。BFRP筋的耐高温性能优于GFRP筋。在270℃高温作用下，随着恒温时间的增加，FRP筋的抗拉强度逐渐下降，在0.5h内下降较大，之后下降变缓。
　　 2.通过拉拔试验对高温作用前后BFRP筋和GFRP筋与混凝土之间的粘结性能进行试验研究。试验参数包括温度、粘结长度、FRP筋直径、混凝土强度等级、混凝土保护层厚度及混凝土表面涂刷防火涂料。结果表明，FRP筋与混凝土的粘结强度随着温度的升高而降低，GFRP筋较BFRP筋与混凝土的粘结强度受温度影响更大。FRP筋与混凝土的粘结强度随着粘结长度和FRP筋直径的增大而减小，随着混凝土保护层厚度和混凝土强度的增大而增大。在不同高温作用后，BFRP筋与混凝土的粘结强度高于GFRP筋与混凝土的粘结强度;涂防火涂料对FRP筋与混凝土粘结强度的影响无明显规律。在没有合适的防护措施下，当工作温度高于300℃时，BFRP筋和GFRP筋均不适宜用作混凝土增强材料。
　　 3.建议了高温后FRP筋抗拉强度折减系数;基于试验结果及国内外现有研究成果，提出了常温下和高温后FRP筋与混凝土之间粘结强度计算公式，提出了常温下和高温后FRP筋在混凝土中的锚固长度计算公式。
　　 4.总结了国内外现有FRP筋与混凝土粘结-滑移本构关系模型，同时利用现有BPE模型和CMR模型对试验得到的粘结-滑移曲线上升段进行拟合，试验曲线与模型曲线吻合良好;利用ANSYS有限元软件对FRP筋与混凝土之间的粘结滑移进行模拟，能较为准确地模拟粘结滑移的真实受力过程。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 FRP筋的力学性能、特点及应用

1．2．1 FRP筋的物理力学性能

1．2．2 FRP筋的特点

1．2．3 FRP筋的应用

1．3 国内外FRP筋与混凝土粘结性能的研究现状

1．3．1 国外FRP筋与混凝土粘结性能研究现状

1．3．2 国内FRP筋与混凝土粘结性能研究现状

1．4 FRP筋混凝土结构抗火性能研究现状

1．5 本文主要研究内容

2 高温后FRP筋纵向拉伸性能试验研究

2．1 前言

2．2 试验方案

2．3 试件设计与制作

2．4 试验设备及试验方法

2．5 FRP筋的实测截面性能

2．5．1 测量设备

2．5．2 取样

2．5．3 试验方法

2．5．4 结果计算

2．6 试验过程

2．6．1 不同温度下试件表面颜色

2．6．2 FRP筋纵向拉伸试验现象及试件破坏形态

2．7 试验结果分析

2．7．1 应力-应变曲线

2．7．2 试验结果计算

2．7．3 影响因素分析

2．8 小结

3 高温后FRP筋与混凝土粘结性能试验研究

3．1 前言

3．2 试验方案

3．3 试件设计与制作

3．3．1 试件设计

3．3．2 混凝土配合比设计

3．3．3 试件制作

3．4 试验设备及试验方法

3．4．1 试验设备

3．4．2 试验方法

3．5 试验过程

3．5．1 混凝土表面变化

3．5．2 试验现象

3．5．3 破坏形态

3．6 高温后混凝土的力学性能

3．6．1 高温后混凝土抗压强度

3．6．2 高温后混凝土劈裂抗拉强度

3．7 试验结果分析

3．7．1 粘结-滑移曲线

3．7．2 粘结强度计算

3．7．3 影响因素分析

3．8 小结

4 FRP筋与混凝土粘结强度和锚固长度计算

4．1 前言

4．2 高温后FRP筋抗拉强度计算

4．3 FRP筋与混凝土粘结强度计算

4．3．1 现有粘结强度计算公式

4．3．2 室温下FRP筋与混凝土粘结强度计算

4．3．3 高温后FRP筋与混凝土粘结强度计算

4．4 锚固长度计算方法

4．4．1 基本锚固长度

4．4．2 国内外有关FRP筋基本锚固长度主要研究成果

4．4．3 室温下FRP筋锚固长度计算

4．4．4 高温后FRP筋锚固长度计算

4．5 小结

5 粘结-滑移本构关系模型

5．1 前言

5．2 现有粘结-滑移本构关系模型

5．2．1 BPE模型

5．2．2 改进的BPE模型

5．2．3 Malvar模型

5．2．4 CMR模型

5．2．5 连续曲线模型

5．3 试验结果与现有模型的拟合

5．3．1 试验结果与BPE模型的拟合

5．3．2 试验结果与CWR模型的拟合

5．4 粘结滑移有限元模拟分析

5．4．1 FRP筋单元及本构关系

5．4．2 混凝土单元及本构关系

5．4．3 粘结滑移单元及本构关系

5．4．4 试件模型加载方式

5．4．5 计算结果及分析

5．5 小结

6 结论及展望

6．1 结论

6．1．1 高温后FRP筋纵向拉伸性能试验研究

6．1．2 高温后FRP筋与混凝土粘结锚固性能试验研究

6．2 展望

参考文献

致谢