玻璃纤维增强塑料锚杆锚固机理研究

摘要

锚杆在土木工程领域应用广泛。以钢材为原材料的传统锚杆容易锈蚀，当用作地下工程的结构构件，因其更换困难会对结构的安全性和耐久性带来严峻的挑战。近年来，具有轻质、高强、耐腐蚀、不导电等优良特性的复合纤维增强塑料(FiberReinforcedPolymer,以下简称FRP)被引入混凝土结构配筋和加固以及各类锚固工程中。目前，对于FRP锚杆的研究和应用相对较少，特别是作为FRP锚杆锚固核心内容的锚固机理，相关的试验数据与研究成果更加有限。 本文研究的玻璃纤维增强塑料(GlassFiberReinforcedPolymer，以下简称GFRP)是一种高性价比的FRP材料。研究设计了一系列的GFRP锚杆拉拔试验，以评价GFRP锚杆的锚固机理；同时，以试验为基础分析GFRP锚杆的受力性能，推导出描述GFRP锚杆和锚固体承载和变形机理的模型，编制了模拟GFRP锚杆拉拔试验荷载——滑移全过程曲线的有限元程序，可用于分析锚杆的复杂受力过程。本项研究为GFRP锚杆相关设计方法、施工要点、质量检测控制标准提供了必要的基础数据和分析手段，对推动FRP锚杆在锚固工程中的广泛应用有积极意义。 本文的主要研究结论和成果如下：(1)调查并评价了锚杆粘结性能的试验方法，在标准拉拔试验模型的基础之上，建立了符合锚杆力学性能的改进拉拔试验模型。 (2)在改进拉拔试验模型的基础上，对GFRP锚杆在高强砂浆锚固下的锚固性能开展试验研究，重点研究了GFRP锚杆与高强砂浆的临界粘结长度、拉拔承载力、平均粘结强度随锚杆的粘结长度的变化、锚杆直径的变化以及锚固砂浆强度等级的变化进行分析评价，并且分析总结GFRP锚杆拉拔破坏模式，研究GFRP杆件轴向力的分布规律。 (3)参考国内外对锚杆与砂浆粘结本构关系的研究，并结合改进的拉拔试验结果提出GFRP锚杆与砂浆之间的粘结本构关系，并将此本构模型用于数值模拟。 (4)根据轴对称有限元的分析方法，建立了锚杆拉拔有限元模型。 (5)采用改进的弧长法，追踪锚杆拉拔的荷载——滑移全过程曲线，并使用面向对象编程技术编制了ARCTRACE有限元程序，通过数值试验与试验室试验结果的比较，验证了程序的正确性和可行性。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1岩土工程锚固技术的发展及研究现状

1.2新型锚杆材料的研究与应用现状

1.2.1传统锚杆的不足

1.2.2 GFRP材料的特点

1.2.3 GFRP材料在工程中的应用

1.3锚固工程问题的理论研究及数值模拟现状

1.4问题的提出及本文的研究内容

第2章GFRP锚杆粘结性能的试验研究

2.1锚杆粘结试验概述

2.1.1试验背景

2.1.2试验目的

2.1.3试验要求

2.2试验描述

2.2.1试验材料

2.2.2试件设计

2.2.3实验装置

2.2.4实验步骤

2.2.5试验分组

2.3试验结果及分析

2.3.1混凝土试块强度记录

2.3.2砂浆试块强度试验

2.3.3拉拔破坏模式

2.3.4临界粘结长度

2.3.5锚杆拉拔性能随锚固长度的变化规律

2.3.6锚杆拉拔性能随杆件直径的变化规律

2.3.7砂浆变化对锚杆粘结性能的影响

2.3.8杆件表面的应变分布

2.3.9钢筋GFRP杆件结果对比

2.3.10拉拔滑移曲线

2.4本章小结

第3章GFRP锚杆拉拔有限元模型分析

3.1有限元方法概述

3.2常用的锚杆有限元计算模型

3.2.1全长粘结的锚杆的弹性受力分析

3.2.2三维拉压杆单元模型

3.2.3空间梁单元模型

3.2.4粘结锚杆单元

3.2.5三维锚杆单元计算模型

3.3轴对称有限元分析

3.3.1轴对称等参单元分析

3.3.2等参单元的数值积分

3.3.3等参单元的应力计算

3.4本文所使用的有限元模型单元

3.4.1锚杆单元

3.4.2混凝土单元

3.4.3砂浆粘结单元

3.5本文所采用的本构模型

3.5.1 GFRP锚杆

3.5.2混凝土

3.5.3砂浆粘结层

3.6本章小结

第4章GFRP锚杆拉拔全过程曲线的追踪及处理方法

4.1全过程曲线的数值计算方法概述

4.2弧长法的基本原理

4.3弧长法的基本要点

4.3.1参数控制方程

4.3.2弧长增量控制

4.3.3初始荷载增量控制参数符号确定

4.3.4荷载增量控制参数的求解

4.4弧长法的改进

4.4.1收敛于指定荷载的改进弧长法

4.4.2沿切平面迭代改进弧长法

4.5本文所用弧长法的特点

4.5.1约束方程

4.5.2初始荷载增量控制参数符号确定

4.5.3弧长增量控制及求解

4.5.4荷载增量控制参数的求解

4.5.5收敛准则

4.6弧长算法步骤及流程

4.6.1计算步骤

4.6.2程序流程图

4.7本章小结

第5章GFRP锚杆拉拔试验的数值模拟

5.1面向对象有限元简介

5.1.1面向对象的编程思想

5.1.2面向对象的有限元

5.2 ARCTRACE有限元程序模块的建立

5.2.1 ARCTRACE模型类

5.2.2 ARCTRACE分析类

5.3算例

5.3.1计算模型

5.3.2计算参数选取

5.4计算结果分析

5.4.1荷载位移曲线

5.4.2锚杆轴向力分布

5.5本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

个人简历