混凝土中GFRP筋粘结锚固长度的可靠度分析与设计

摘要

纤维增强塑料筋(英文简称FRP筋)混凝土结构能够较好地解决传统钢筋混凝土结构存在的钢筋锈蚀和耐久性不足等问题，其结构设计非常重要的一环是FRP筋与混凝土锚固长度的确定，由于FRP筋与钢筋材料性质和表面形状等存在一定的差异，其锚固长度不能直接采用钢筋的设计公式确定。目前为止，一些研究学者致力于FRP筋锚固长度确定方法的研究，其中半经验半理论法和拟合法是确定锚固长度最常用的方法。但半经验半理论法具有一定的经验性，拟合法则存在一定的安全隐患，如能给这两种方法辅之以系统的可靠度评估，避除经验性和不安全性，并在此基础上提出相关设计建议，无疑对FRP筋在工程上的推广应用和规范的完善大有裨益。
　　 本文对半经验半理论法锚固承载力极限状态进行了可靠度评估，建议一般大气环境下K值取0.030，恶劣环境下K值取0.034，建立起目标可靠指标和K值的关系式，指出影响K值的主要因素是混凝土强度、GFRP筋强度和计算模式不确定性系数的变异性，其中Weibull分布的GFRP筋强度的变异性比正态分布对K值影响大。该法只适用于劈裂破坏模式，适用范围为保护层厚度大于等于60mm和筋直径大于等于19.1mm。
　　 通过对搜集的劈裂破坏和拔出破坏的试验数据分析，统计回归出GFRP筋与混凝土发生劈裂破坏和拔出破坏的粘结强度公式，并对其进行可靠度评估，给出劈裂破坏模式下ld/db、ls/db的设计表和拔出破坏模式下的ld/db的设计公式。对于劈裂破坏，建议搭接长度可取锚固长度的2.3倍，保护层厚度不宜大于3.15倍筋直径，其他GFRP筋抗拉强度下的ld/db和ls/db值，可按线性插入得出，指出混凝土抗压强度均值、保护层厚度均值和变异系数、两种分布的GFRP筋抗拉强度均值、计算模式不定性系数的均值与名义值比值对ld/db和ls/db影响较大；对于拔出破坏，建议一般大气环境下Kp值取0.0738,恶劣环境下Kp值取0.0843，并指出两种分布的GFRP筋强度的变异性和计算模式不定性系数的变异性对Kp值影响较大，其中Weibull分布的GFRP筋强度的变异性比正态分布对Kp值影响要大。除此之外，还建立了劈裂破坏模式下的ld/db、ls/db和拔出破坏模式下的Kp与目标可靠指标β0关系式，并建立了ld/db、ls/db、Kp与强度利用系数之间的关系。最后，给出算例说明本文研究成果的应用。
　　 考虑混凝土强度、GFRP筋强度和GFRP筋与混凝土粘结强度的耐久性引起锚固承载力和拉拔力随时间变化，提出了一种研究GFRP筋时变可靠度的思路，通过分析发现：如果在设计服役期内只发生混凝土劈裂破坏，半经验半理论法和拟合法的初始锚固长度设计都可满足整个服役期耐久性设计要求，指出混凝土抗压强度的变异系数、GFRP筋抗拉强度的变异系数和混凝土强度时变模型对两种方法的时变可靠指标的变化趋势有很大影响，其他参数主要是对同一时刻下的可靠指标变化有影响，对变化趋势基本没有影响；如果只发生拔出破坏，初始锚固长度设计则不能满足整个服役期耐久性设计要求，并指出GFRP筋直径对时变可靠指标的变化趋势有很大影响，其他因素影响相对较小。本章研究受限于劈裂破坏与拔出破坏的转变点无法确定，一旦转变点确定，就可以结合本章两种模式的分析方法进行研究。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 FRP筋与混凝土粘结简介

1.2.1 FRP筋与混凝土粘结力的组成

1.2.2 FRP筋与混凝土粘结破坏机理

1.3 国内外研究现状

1.3.1 FRP筋与混凝土粘结滑移本构模型研究现状

1.3.2 FRP筋与混凝土粘结锚固长度研究现状

1.3.3 相关规范给出的FRP筋粘结锚固长度计算公式

1.3.4 材料的长期耐久性及统计参数

1.3.5 FRP筋混凝土构件可靠度研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 GFRP筋锚固可靠度研究-半经验半理论方法

2.1 引言

2.2 GFRP筋锚固长度公式的理论推导

2.3 GFRP筋强度的确定

2.4 GFRP筋与混凝土的锚固可靠度

2.4.1 锚固承载力极限状态功能函数的建立

2.4.2 设计变量的统计参数

2.4.3 目标可靠度指标

2.5 可靠度分析方法(JC法)

2.5.1 验算点法

2.5.2 当量正态化

2.6 可靠度分析结果

2.6.1 分析步骤

2.6.2 整体分析K值结果

2.6.3 参数分析

2.7 本章小结

第三章 GFRP筋锚固可靠度研究-拟合法

3.1 引言

3.2 试验数据分析

3.2.1 劈裂破坏试验数据分析

3.2.2 拔出破坏试验数据分析

3.3 GFRP筋与混凝土粘结强度计算公式

3.3.1 劈裂破坏粘结强度公式的确定

3.3.2 拔出破坏粘结强度公式的确定

3.4 GFRP筋与混凝土的锚固可靠度

3.4.1 劈裂破坏模式下GFRP筋与混凝土锚固可靠度

3.4.2 拔出破坏模式下GFRP筋与混凝土锚固可靠度

3.5 劈裂破坏模式下GFRP筋与混凝土可靠度分析结果

3.5.1 分析步骤

3.5.2 各种情况下GFRP筋的锚固长度ld/db和搭接长度ls/db

3.5.3 整体分析ld/db和ls/db计算结果

3.5.4 参数影响分析

3.5.5 锚固长度ld/db和搭接长度ls/db的比较分析

3.5.6 拟合法与半经验半理论方法的比较分析

3.5.7 GFRP筋强度利用系数

3.6 拔出破坏模式下GFRP筋与混凝土可靠度分析结果

3.6.1 分析步骤

3.6.2 各种情况下GFRP筋的锚固长度ld/db

3.6.3 参数分析

3.6.4 GFRP筋强度利用系数

3.7 锚固长度设计

3.8 设计算例

3.9 本章小结

第四章 GFRP筋与混凝土锚固时变可靠度分析

4.1 引言

4.2 GFRP筋与混凝土的锚固时变可靠度

4.2.1 GFRP筋与混凝土的粘结锚固承载力时变模型

4.2.2 GFRP筋与混凝土锚固承载力时变极限状态功能函数的建立

4.2.3 混凝土抗压强度和GFRP筋抗拉强度时变模型

4.3 半经验半理论法时变可靠度分析结果

4.3.1 分析步骤

4.3.2 时变可靠指标

4.3.3 参数影响分析

4.4 拟合法时变可靠度分析结果-劈裂破坏

4.4.1 分析步骤

4.4.2 时变可靠指标

4.4.3 参数影响分析

4.5 拟合法时变可靠度分析结果-拔出破坏

4.5.1 分析步骤

4.5.2 时变可靠指标

4.5.3 参数影响分析

4.6 劈裂破坏两种方法的分析与比较

4.7 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 符号与变量表

附录B 试验数据统计表

附录C 主要计算程序

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢