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武汉理工犬学硕士学位论文 玻璃钢筋混凝土界面粘结性能及应用研究 摘要 玻璃钢( g f r p ) 筋作为一种新型的防腐筋材，具有许多普通钢筋所 不能比拟的优点，如防腐性能好、抗拉强度高、绝电磁性、易于成型等， 但也存在表面光滑、不易与混凝土的粘结、弹性模量较低等缺陷，因此 解决玻璃钢筋与混凝土的粘结强度问题是其技术关键。本文首先对g f r p 筋加强呋喃树脂混凝土及普通混凝土的界面粘结性能进行了实验研究， 对玻璃钢筋表面采取了三种处理方法，用拔出试验研究分析了g f r p 筋和 呋喃混凝土、普通水泥混凝土之间的粘结强度，比较了用不同方法进行 表面处理的效果，确定了合适的表面处理方案，并通过对g f r p 筋加强呋 喃混凝土梁进行了弯曲试验，进一步验证了方案的可行性。然后用细观 力学的方法对g f r p 筋混凝土的开裂失效机理进行了研究分析，推导了 失效荷载与筋材、混凝土的各种参数之间的关系。最后结合玻璃钢筋呋 喃树脂混凝土电解槽的设计与开发，对电解槽的配筋布置、结构尺寸进 行了设计，用有限元方法对电解槽的整体结构进行了计算分析，并考虑 了玻璃钢筋预应力的影响，其设计计算结果已在玻璃钢筋呋喃树脂混凝 土电解槽的实际生产中得到了应用，且使用情况良好。 关键词：玻璃钢( g f r p ) 筋；树脂混凝土；粘结强度；拔出试验；细 观力学；电解槽 武汉理工大学硕士学位论文 i n t e r f a c eb o n d p r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n i n v e s t i g a t i o n o fg f r pb a r sr e i n f o r c e dc o n c r e t e a b s t r a c t g f r pb a ri san e w a n t i s e p s i sm a t e r i a la n d i th a v em a n y a v a i l a b i l i t i e s ，s u c h a st h er e s i s t a n c et oc o r r o s i o n ，h i g hs t r e n g t h t o w e i g h tr a t i o ，l o we l e c t r o m a g n e t i c p r o p e r t i e sa n ds oo n h o w e v e r , t of u l l yr e p l a c es t e e lb yg f r pb a r , s o m ea s p e c t s o ft h e i rb e h a v i o u rh a v et ob ed e t e r m i n e d ，i n c l u d es m o o t hs u r f a c e ，l o wb o n d s t r e n g t h ，l o wm o d u l u so fe l a s t i c i t y t h i sp a p e rf i r s tp r e s e n tas t u d yo nt h eb o n d p r o p e r t i e s o ff u r a nr e s i nc o n c r e t er e i n f o r c e dw i t hg f r pb a r s ，i nw h i c ht h e p u l l o u tt e s tw a sa d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h eb o n dp e r f o r m a n c eb e t w e e ng f r p b a r sa n df u r a nr e s i nc o n c r e t e ，c o m p a r et h eb o n ds t r e n g t ho fg f r pb a r so f d i f f e r e n ts u r f a c ed i s p o s a la n dv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yb yt e s tt h eg f r pb a r s r e i n f o r c e df u r a nr e s i nc o n c r e t eb e a m t h e nt h e p a p e rp r o v i d e s a m i c r o - m e c h a n i c a lm o d e lf o rt h es p l i t t i n gf a i l u r e a n a l y s i so fg f r p r e i n f o r c e d c o n c r e t em e m b e ra n dd e d u c t e dt h er e l a t i o nb e t w e e ns p l i t t i n gf a i l u r el o a da n d p a r a m e t e ro fg f r pr o d f i n a l l y , c o n s i d e r i n g t h er e q u e s to ft h eg f r pb a r s r e i n f o r c e df u r a nr e s i nc o n c r e t ee l e c t r o b a t h ，w e d e s i g n e dt h es t r u c t u r eo ft h e e l e c t r o b a t ha n du s ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oa n a l y s ei t i nt h ep r o c e s s ，p r e s t r e s s a l s ow a sc o n s i d e r e d t h er e s u l to fu s ei np r a c t i c ei n d i c a t et h ep r o p e r t i e so fg f r p b a r sc a nm e e tt h er e q u e s to fe l e c t r o b a t hs t r u c t u r e k e yw o r d ：f r pb a r s ；r e s i nc o n c r e t e ；b o n dp e r f o r m a n c e ；b o n d s t r e n g t h ；p u l l o u tt e s t ；m i c r o - m e c h a n i c a l ；e l e c t r o b a t h ； 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 钢筋混凝土结构是土木水利工程中应用最为广泛的结构模式之一，但 是钢筋易于腐蚀却是严重影响钢筋混凝土结构耐久性的最根本的缺陷【9 1 ， 特别在一些特种工程中( 如受海水，化学品侵蚀的的一些工程一海港码头，海 堤，海防设施，海滨设施，化工厂生产车间，公路桥梁面板等) 和一些特殊的 军事设施，特殊的测试室( 如核磁共振室) 中，钢筋腐蚀造成的破坏尤其明显a 根据文献报道，美国境内1 6 万座桥梁在设计基准期内因钢筋锈蚀所需要 的维修费用既达2 0 0 亿美元，欧洲因钢筋锈蚀而引起的损失估计每年达 1 5 亿美元。而我国1 9 8 1 年对华南地区1 8 座码头的调查表明，尽管其使用 期只有7 1 5 年，但是已经有1 6 座码头的水上部分的构件已发生了严重损坏。 1 9 8 4 年河海大学对浙江镇海的2 2 座中小型沿海水工建筑物进行了调查，调 查中发现：9 6 7 根构件中由于钢筋锈蚀导致出现顺筋裂缝破坏的有5 3 8 根。 我国国内铁道部在1 9 9 7 年调查全路由于受不良介质严重腐蚀受损的桥 达5 4 5 0 余孔，其中4 6 0 0 余孔承载力不足，有相当一部分桥因钢筋腐蚀而 不能正常使用，不得不更换新的钢筋混凝土梁，造成了巨大的经济损失， 且影响铁路的正常运行【卜4 1 。可见钢筋腐蚀对于各个国家的基础建设工程和 工业应用上都造成了巨大的损失。 为了防止和克服钢筋腐蚀引起的结构耐久性问题，自8 0 年代中期以来， 欧、美及日本等国己陆续开始为连续纤维增强塑料( c o n t i n u o u s f i b e r r e i n f o r c e dp l a s t i c s 简称f r p ) 及以其为原料制成的f r p 筋的加工工艺、 力学性能和结构性能进行了实验和研究，并将f r p 筋作为钢筋的新型代用材 料在工程实践中加以利用，并取得了一定的成果 1 0 | 。因此为了解决我国土 木水利工程中钢筋混凝土结构的耐久性问题，我们也应该对f r f 筋进行一定 武汉理工大学硕士学位论文 的实验研究工作，本文就是在这一背景的情况下展开对g f r p 筋( 玻璃纤维 增强塑料筋) 粘结性能与应用的研究的。 1 2 国内、外研究现状 为了解决钢筋在混凝土构件中的腐蚀问题，世界上各个国家都做了 大量的工作并根据具体情况采用了相应的措旖，目前所采取的方法主要包 括以下三个方面i 加l ：1 、严格保证混凝土的施工质量，从各个方面加强混 凝土的密实性，以加强对钢筋的保护。2 、加强钢筋的耐腐蚀能力。主要 包括以下三种方法：a 、使用阴极保护法，增加钢筋的电势来防止钢筋腐 蚀，由于这种方法需要提供附加阳极，因此造价较高。b 、在钢筋表面附 加涂层，如在钢筋表面涂锌或喷涂环氧树脂，这种方法目前也是在国外研 究的一个热点，但是这种方法工艺难度较大。c 采用不锈钢材料来防止钢 筋腐蚀，但是这种方法价格太高，难以在工程中广泛应用。3 、研制新材 料【1 0 】。通过以上这些措施虽然可以减轻或消除钢筋混凝土结构中钢筋的 锈蚀问题，但是所花费用也是很高的。针对以上问题，人们就会想到如果 能够采用一种不会锈蚀的材料来代替钢筋，那么就可以从根本上解决钢筋 混凝土结构中钢筋的腐蚀问题了。 彻底解决钢筋锈蚀问题的一个有效办法就是采用新型连续纤维增强塑 料筋( f r p 筋) ，从上个世纪末期开始，国外许多国家已经对连续纤维增强 塑料( f r p ) 类新型人工纤维材料开展了大量的研究工作并投入到了实际使 用当中，在实验研究和工程应用等方面均取得了丰硕的成果和经验。我国 在连续纤维增强塑料类新型人工纤维材料这方面的研究还只是剐刚起步， 但是由于这种筋材的优良性质和我国正处于基本建设的发展期，它已经引 起了许多科学家的高度重视，相信纤维增强塑料筋( f r p 筋) 作为一种新 型的高性能复合材料，将具有很大的发展潜力和空间1 2 j 。 现在国内外所研究的连续纤维增强塑料筋就是指由多股连续纤维通 2 武汉理工大学硕士学位论文 过基底材料( 如聚乙烯树脂，环氧树脂等) 进行胶合后，经特制的模具( 如 长线挤拉台座) 挤压并拉拔成型的纤维增强塑料筋。根据纤维原料的不同， 又可以分为玻璃纤维增强塑料筋( g f r p 筋) 、碳纤维增强塑料筋( c f r p 筋) 和阿拉米德纤维增强塑料筋( a f r p 筋) 。在这些f r p 筋中g f r p 筋研 制最早，也是本文研究的重点。和普通钢筋相比，它具有抗拉强度高、塑 性变形小、抗腐蚀性能好、重度小、热胀系数与混凝土接近、抗疲劳性能好、 电磁绝缘性能好等优点f 1 1 q “。在一些具有强烈腐蚀性或有电磁影响的工作 环境中使用玻璃钢筋来替代普通钢筋将能够发挥巨大的作用，对于修补和施 工工程来说也是非常的方便。并且作为混凝土结构配筋用的g f r p 筋，其外 形不仅可以做成外形为光圆、螺纹矩形和工字形，也可以将6 f r p 筋直接 制作成网板用于板的配筋或直接将连续纤维制作成f r p 板用于各种结构 的加固。当然，g f r p 筋作为一种新型材料，还存在着一些缺陷有待于研究 和解决，如各种光面g f r p 筋粘结强度均较差、抗剪强度低、弹性模量较低、 热稳定性较差、不便现场施工、成本较高等缺陷。这些都是现在国内外玻璃 钢筋研究所要解决的主要问题，也同样是本课题要解决的问题。 到目前为止，国外对g f r p 筋的研究相对于国内来说已经取得了很多的 成果【1 0 】。特别是近几年，对于g f r p 筋的研究异常的活跃，日本、德国、美 国、加拿大和瑞士等国召开了多次g f r p 筋混凝土结构的国际性学术会议， 每年发表论文或报告近5 0 0 篇。并且关于g f r p 筋预应力桥梁的研究取得了 重要进展，研究工作日趋现代化，先后颁布了g f r p 筋混凝土结构施工规程。 并且用它进行修复和新建桥梁的工程实例日益增多。如在德国建于1 9 8 8 年 美里恩费尔得人行桥【1 0 1 ，该桥的特点是在粱的外侧布置了g f r p 预应力筋， 充分利用了这类材料不怕腐蚀的特点，桥为两跨双截面t 形梁，跨度分别为 2 2 9 8 m 和2 7 6 1 m ，梁高1 1 m ，在两跨双t 形截面上配有七根g f r p 预应力 筋。g f r p 预应力筋在支座处布置在梁的上部，跨中布置在梁的下部，预应 武汉理工大学硕士学位论文 力筋的梁端锚固于十字架上。在加载时利用预埋的的光纤维量测器进行了全 面的测量，其中包括了预应力筋的应力变化和跨中挠度等，结果显示所测指 标完全符合预定要求。由此可见，目前对g f r p 筋的研究和应用都已经取得 了巨大的进步，但正如前面所说的，g f r p 筋还存在着许多问题等待着我们 去解决，在今后的工作中如抗动力特性及长期荷载作用下结构性能的研究、 提高耐久性的研究、提高它与混凝土间粘结力的弹性模量的研究、加大延性 和韧性的研究等都是我们在实际应用中必须面对和亟待解决的问题【1 7 3 0 1 。 1 3 研究目标、内容和存在的问题 由于我们所研究的g f r p 筋( 玻璃钢筋) 是利用其抗腐蚀性和绝电磁性 以及其自身的高抗拉强度来替代钢筋在一些特殊环境中工作的，而钢筋在混 凝土结构中主要是利用其优良的粘结性能来承受拉应力和对结构起到作用 的f 1 7 q 2 1 。因此在本文中我们主要研究的是g f r p 筋的粘结性能和在混凝土结 构中的应用，使之能够更好的替代钢筋应用于工程上面。其中主要包括以下 几个方面的内容和问题： 首先，由于将g f r p 筋嵌入到混凝土构件中的时候，筋材和混凝土的粘 结程度对结构的影响是非常大的。粘结程度的好坏直接决定了混凝土构件的 抗弯能力等。因此研究g f r p 筋的粘结强度是本课题的主要内容。 其次，对g f r p 筋在树脂混凝土结构中的脱离及断裂失效机理做出系统 的理论分析，找出影响结构失效的因素并确定它们之间的对应关系。 最后，由于在g f r p 筋混凝土结构中，特别是当结构受拉或受弯的时候， g f r p 筋对于结构起到限制作用，以防止混凝土开裂和挠度过大。因此我们 也对g f r p 筋混凝土结构的整体力学性能进行了有限元分析，并研究其预应 力结构，以克服它弹性模量较低的缺点。 到目前为止，由于玻璃钢筋自身特性的一些缺陷，在g f r p 筋的研究过 程中还面临着许多的问题需要去解决【2 3 q “，在本文中我们拟解决的关键问 4 武汉理工大学硕士学位论文 题主要包括以下几个方面：l ，由于其制作工艺原因，在挤拉台座上成型， 它的表面非常的平滑，不利于和混凝土粘结，造成它的粘结强度较低。因此 如何提高g f r p 筋的粘结力是一个本课题所要解决的关键问题。2 ，由于g f r p 筋的弹性模量较低( 只有普通钢筋的四分之一) 和延性较差，不利于混凝土 结构的整体性，会造成混凝土出现较大裂缝和挠度过大，因此应该努力提高 它的弹性模量和延性。3 ，在g f r p 筋强度测量过程中间，没有标准的f r p 筋实验准则和实验夹具，而且由于它的抗剪强度较低造成不易很好锚固等原 因，因此不能很准确的测量出它的拉伸强度，目前在各种文献中的数据显示 玻璃钢筋的拉伸强度从4 0 0 m p 多到1 0 0 0 m p 多不等。因此应该找出合适的实 验方法来测量g f r p 筋的拉伸强度也是一个需要解决的问题。若能够将上述 问题很好的解决的话，无疑为g f r p 筋在工程上的使用铺平了道路。 1 4 研究意义及方法 由于g f r p 筋具有普通钢筋所无法比拟的性能，如优越的防腐性能、不 导电、不导磁、比强度高等优点 2 , a , l o l ，因此若能够在一些特殊工程和设施 中的钢筋混凝土结构中使用g f r p 筋来代替普通钢筋的话，将能够较好的解 决许多工程上的问题( 如钢筋腐蚀等) 和便于施工，从根本上解决工程上存在 的许多实际问题。当然，由于它并不是十全十美，可以直接用来替代钢筋的， 它也存在着一些如粘结强度低、表面光滑、弹性摸量低、延性低、受温度影 响大等缺陷【工3r j 。本论文的目的就是研究g f r p 筋的这些缺陷，找出解决这 些缺陷的办法，使之能够更好的应用在工程实践中。 在本文的研究过程中，主要分为以下实验研究和理论分析两个方面， 试图以这两种研究方法找出影响g f r p 筋力学性能的各个因素和达到改善其 性能的目的。 一、g f r p 筋在混凝土结构中的实验研究方面。 1 ，为了使g f r p 筋的粘结强度达到最大以及测出它和不同混凝土之间 武汉理工大学硕士学位论文 的粘结性能，我们分别将光面、表面涂沙、表面缠绕纤维以玻璃钢筋埋入到 树脂和普通混凝土试件中去，测出它们的粘结强度，并对这几种情况进行比 较，得出哪种玻璃钢筋和混凝土的粘结效果最好。 2 ，从g f r p 筋粘结强度实验中得出粘结强度最大的玻璃钢筋之后，用 该种筋材进行g f r p 筋增强混凝土粱的弯曲实验，观察其断裂面中g f r p 筋和 混凝土的粘结情况，并研究和普通钢筋混凝土梁相比，它的挠度、受载能力 以及混凝土开裂情况等。最后根据实验的具体情况还可以进行玻璃钢筋增强 混凝土预应力梁的弯曲实验，对比它们的荷载一挠度图。 3 ，考虑g f r p 筋的抗剪强度较低，选择合适的实验方法和实验用的夹 具，较为准确的测量出其的拉伸强度，得出它的应力一应变曲线图，并测出 弹性模量。 二、g f r p 筋在混凝土结构中的理论研究方面。 l ，采用了细观力学的方法对g f r p 筋周围混凝土的断裂失效机理建立 力学分析模型。在这个模型的基础上推导出g f r p 筋周围混凝土断裂失效的 理论计算公式后，得出它们与筋材及周围混凝土介质的弹性模量、柏松比之 间的关系。 2 ，利用a n s y s 有限元软件对g f r p 筋树脂混凝土电解槽进行整体结构 设计和有限元分析，研究采用g f r p 筋来代替普通钢筋后，对于整体电解槽 所产生的影响和作用。并在此基础上对预应力g f r p 筋树脂混凝土电解槽进 行整体结构有限元分析。 3 ，在以上分析的基础上，研究g f r p 筋预应力的结构设计和计算方法， 并对比实验结果检验其正确性。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章玻璃钢筋( g f r p 筋) 及其结构的实验研究 2 1 概述 在本篇论文中，由于我们的主要研究目的是如何克服g f r p 筋的粘结强 度低、弹性模量低等缺点，使之更好的替代普通钢筋在混凝土构件中的使用， 满足工程应用上的要求。因此我们就必须对g f r p 筋的各种力学性能有所了 解，如抗拉强度、弹性模量、应力一应变图、与周围各种混凝土介质的粘结 强度以及玻璃钢筋和预应力玻璃钢筋混凝土梁的荷载一挠度图等。通过这些 数据的测定，我们可以针对g f r p 筋力学性能的各种优、缺点来对它进行各 种设计和改进，以使它的制造工艺和使用方法更加完善。 在进行实验时，我们可以采用各种方法来测定它的力学性能，如采用 拉伸法来测定抗拉强度、弹性模量，并绘出应力一应变图；使用钢筋拔出实 验来测出与各种混凝土的粘结强度【1 7 趋】：采用梁的四点弯曲实验来测出 g f r p 筋及预应力g f r p 筋混凝土梁的开裂荷载、破坏荷载并绘出梁的荷载一 挠度曲线图等f 2 3 岱】。 当我们进行了各个实验操作后，将得出g f r p 筋的各种力学性能数据， 在后面各章对g f r p 筋进行理论计算及有限元分析中，我们将根据各个实验 得出的数据对它进行计算和分析。 2 2g f r p 筋弹性模量的测定 g f r p 筋的主要优点之一就是抗拉强度高，但是它的主要缺点之一是弹 性模量低【2 】，因此测定它的弹性模量及应力一应变图是有必要的。在这里我 们根据标准g b t1 3 0 9 6 卜9 1 ，既拉挤玻璃纤维增强塑料杆拉伸性能实验方 法来测定，使用z w i c k r o e l lz 1 0 0 万能实验机将直接生成玻璃钢筋的应力一 应变图，并自动计算出g f r p 筋的弹性模量。 ( 1 ) 目的及范畴 武汉理工大学硕士学位论文 测定玻璃钢筋的弹性模量，绘出应力一应变图，检验是否满足结构设计 要求。 ( 2 ) 设备 z w l c k r o e l lz 1 0 0 万能实验机、游标卡尺、引伸仪、三根直径5 毫米 的玻璃钢筋、夹具等。 ( 3 ) 实验步骤 a 、试件在实验前应擦洗干净，测量尺寸，尺寸如图2 一l 所示。 i - 1 图2 一l 玻璃钢簿示意图 b 、将g f r p 筋直立放在试验机的拉面上，试件的上下轴心应与试验机 的上下面中心对齐，然后开动试验机。 c 、由于该实验机为智能实验机，因此在g f r p 筋被拉伸的过程中，实验 机自动生成应力一应变图和计算出弹性模量，我们只需要记录这些数据既可 了。它的应力一应变图和各组试件的弹性模量分别见图2 2 和表2 1 ： 表2 - 1 所测g f r p 筋弹性模量 武汉理工大学硕士学位论文 锄 1 0 0 0 口0051 01 52 0 s t r a i n n 图2 - 2 玻璃钢筋的应力一应变图 ( 4 ) 拉伸弹性模量的计算公式 虽然在本实验中玻璃钢筋的弹性模量由实验机自动算出，但它是根据以 下公式计算得出的，在此将此公式列出如下： e f 垒! ! 墨 爿( 工) 均 l 玻璃钢筋的长度 p 荷载增量 a 试件横截面积( i 时) ： ( l ) 一玻璃钢筋在ap 作用下产生的平均变形增量 在表2 - 1 中，我们可以看到三根g f r p 筋的横截面积和它们相对应的弹 性模量，它的平均弹性模量为3 7 x1 0 4 m p a 。值得说明的是在图2 2 中我们 只取了一根g f r p 筋的拉伸图来显示，在对玻璃钢筋进行拉伸实验时由于它 的剪切强度较低、脆性较大，因此当对g f r p 筋施加的拉伸荷载达到9 k n 时， 在夹具处玻璃钢筋发生剪切破坏，所以在g f r p 筋的应力一应变拉伸图中当筋 材的应力达到快4 0 0 m p a 时，筋材发生破坏，图形记录就停止了，实际上在 9 喜uuj艺s8jl 武汉理工大学硕士学位论文 这时还远未达到极限拉伸强度。对于玻璃钢筋的拉伸强度在拔出实验中我们 可以由失败的拔出实验( 指g f r p 筋未从混凝土中间拔出就发生拉伸断裂了) 得出大概值，为6 0 0 m p a 左右。 2 3g f r p 筋拔出实验 2 3 1 实验准备工作 在该实验中，我们的重点是测出不同表面处理的g f r p 筋、普通钢筋和 呋喃树脂混凝土及普通混凝土之间的粘结强度，并对它们的结果进行比较， 研究g f r p 筋的粘结性能，并对其作出一定改善。实验中所有的试件共分为 1 0 组，每组3 个试件，试件的尺寸大小都相同，为1 0 0 i 0 0 l o o m m ，不同 的是所埋入的钢筋和试件的混凝土类型不同，有表面经过不同处理的g f r p 筋、光面钢筋、螺纹钢筋与普通混凝土及呋喃树脂混凝土做成的试件等。这 些试件的具体材料、尺寸，钢筋的类型、直径，钢筋的埋入长度等从表2 2 中可以清楚的知道。图2 3 为表面经过不同处理的g f r p 筋外形及试件的形 状及埋入钢筋的位置，它包括表面缠绕纤维g f r p 筋试件、表面涂沙g f r p 筋试件、表面打毛g f r p 筋试件、光面钢筋试件、螺纹钢筋试件等。从图2 3 中我们可以看见g f r p 筋的加载端都用纤维和环氧树脂厚厚的缠了一层，这 是因为g f r p 筋的抗剪强度低，为了防止在加载过程中夹具将g f r p 筋夹断的 缘故而做的保护措施。 当进行拔出实验时，我们采用常用建筑材料实验手册中的钢筋粘 结力实验测试方法【3 2 】。使用万能实验机、百分表、特制的夹具( 见图2 4 ) 等装备来测定筋与混凝土之间的粘结强度。首先按照图2 4 所示将试件安装 在万能实验机上的夹具上，在试件的自由端固定好百分表以测量钢筋自由端 的滑动位移。然后开启实验机，一边加载一边记录钢筋自由端的滑动位移， 鎏坚里三查兰堡圭兰些丝三兰 当出现下面三种情况之一的时候既停止实验：1 ) 钢筋自由端的滑动位移超 过0 1 m 的时候。2 ) 钢筋从混凝土中完全拔出。3 ) 钢筋产生屈服断裂。 表2 2 各组试件尺寸及材料配比表 图2 - 8 试件示意图图2 - 4 实验装置示意图 当实验结束后，我们根据实验中荷载和位移数据，利用下面的计算公 式就可以得出筋和混凝土之间的粘结强度。 口。里墨呈 3 石d f o ：筋与混凝土之间的粘结强度； p 1 ：筋的自由端的滑动位移为0 o l 哪的时候，试件所受的荷载； 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 p 2 ：筋的自由端的滑动位移为0 0 5 r a m 的时候，试件所受的荷载 p 3 ：筋的自由端的滑动位移为0 i r a m 的时候，试件所受的荷载： d ：筋的直径； l ：筋的埋入长度； 2 3 2 拔出实验结果分析 根据所做的拔出实验，现将实验数据及所得出的实验结果详细的列于 下表2 - 3 中：在表中需要说明的是由于每组试件都有三个试件，因此下表中 和g f r p 筋自由端位移值相对应的荷载值为该组三个试件所测得的平均值， 这样后面计算的粘结强度即为该组试件的平均粘结强度 表2 - 3 拔出实验数据表 试件组1 试件组2 试件组3 试件组4 试件组5 试件组6 0 0 1 o 0 5 0 1 0 0 1 o 0 5 0 1 o o l o 0 5 0 1 0 0 1 0 0 5 0 1 0 o l o 0 5 0 1 0 0 1 0 0 5 0 1 8i 0 07 4 8 81 0 04 3 81 0 06 2 6 1 0 04 7 2 1 0 04 8 2 81 0 07 0 9 盯船_盯g；口=盯坞扑；_舟 m孤虬&m忆抱n n&一&龟。加心蝎孤 武汉理工大学硕士学位论文 试件组7 试件组8 试件组9 试件组 1 0 1 6 4 3 1 6 4 3 1 6 4 3 7 2 4 7 6 7 9 1 0 5 3 1 1 4 1 l6 7 1 3k n 时钢筋 屈服 81 0 0 6 5 4 81 0 0 3 ，0 2 51 0 07 1 3 51 0 0 8 2 8 从上表中我们可以很清楚的知道各个试件的实验数据和各种筋材和混 凝土之间的粘结强度，其中螺纹钢筋和普通混凝土之间的粘结强度为最大， 超过8 2 8 m p a ，这是因为在螺纹钢筋自由端还没有发生滑动位移之前，钢筋 已经在荷载为1 3 k n 时发生屈服失效了。对于表面经过不同处理的g f r p 筋来 说，无论在呋喃树脂还是在普通混凝土中，都是表面缠绕纤维g f r p 筋的粘 结性能最好，分别达到7 4 8 m p a 和7 。0 9 m p a 。为了更加形象的对比各种钢筋 的粘结强度，我们绘制了如下的图2 - 5 ，从中我们可以直观的看出不同类型 钢筋和混凝土之间的秸结强度大小。 当进行g f r p 筋的拔出实验时，总共设计了两种实验方案，第一种是上 述的实验方案，第二种是采用直径为5 脚，混凝土试块尺寸为1 0 0 1 0 0 2 0 0 m m ，埋入长度为2 0 0 r m 的实验方案。然而当我们采用第二种实验方案来 测6 f r p 筋与混凝土介质的粘结强度时，由于埋入长度过大，钢筋直径较细， 粘结力大于g f r p 筋的拉伸断裂荷载，因此g f r p 筋在被拔出之前就发生了拉 伸断裂，不能测出它的粘结强度。然而在通过这个失败的拔出实验中，我们 却可以大致知道g f r p 筋的拉伸强度，对于我们了解g f r p 筋的力学性能也有 一定的帮助。在这个实验中直径为5m m 的g f r p 筋被拉断大致需要1 2 k n 的 荷载，它的拉伸强度也可以大致得出为6 0 0m p a 左右。 】3 _叭o毗_筛_无 o m m o 吼n o 吼n o ； 武汉理工大学硕士学位论文 l234567891 0 试件组编号 图2 - 5 各组试件的粘结强度对比图 2 4g f r p 筋梁的四点弯曲实验 2 4 1 实验准备工作 为了了解g f r p 筋在钢筋混凝土构件中的力学性能，我们对g f r p 筋梁 进行四点弯曲实验来进行研究1 2 3 矧。在实验中，混凝土梁的材料为呋喃树脂 混凝土，梁配置两根直径为8 m m 的g f r p 筋，共三根相同配置的梁，为了提 高g f r p 筋与树脂混凝土的粘结强度，在g f r p 筋表面交差缠绕2 4 0 0 号纤维 纱，间距为2 0i n m 。梁的尺寸及g f r p 筋的具体配置如下图2 6 所示： 5 0 0 m mi 5 0 0 m m5 0 0 f 【i i n 图2 - 6 弯曲试验示意图 1 4 - 1 一下 1 5 0 眦 4 0 m ”土 j l 一 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o o皇一遐精蛞# 口阔 武汉理工大学硕士学位论文 进行实验的时候，我们首先按照图2 - 7 所示将实验装置和试件安放好， 由于加载时两个支座也会发生一定位移，为了消除支座沉陷的影响，除了在 梁的跨中下表面处安装一个百分表外，在两支座附近也各安装了一个百分 表，用来测量各点的位移值，以便于更加精确的确定跨中挠度，在计算时， 将中点的位移值减去两边支座处的位移值的平均值就可以得出跨中挠度了。 当开始加载时，荷载每隔3 0 分钟增加一次，每次为5 0 k g 。然后记录每次加 载后的荷载及位移数据，何时出现裂纹及裂纹位置等，直到实验结束。 图2 - 7 弯曲实验装置图 当实验结束后，我们根据实验中荷载和位移数据，利用下面的计算公 式就可以得出和每次荷载相对应的跨中挠度了。 = ：一气垒 ：跨中挠度： l ：支座l 点处的挠度； 2 ：支座2 点处的挠度； 3 ：支座3 点处的挠度： 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 弯曲实验结果分析 在梁的弯曲实验中，我们采取三根相同配置的梁来进行测试，数据取 为这三根梁所测试到的平均值，每根梁中配置两根直径为8 m m 的g f r p 筋， 其中g f r p 筋表面均交差缠绕间距为2 0 唧的2 4 0 0 号纤维纱，下表2 - 4 是我 们得到的实验数据： 表2 4 弯曲实验数据表 试件一试件二试件三 挠度( m m ) 荷载( k n ) 挠度( )荷载( k n )挠度( m m )荷载( k n ) o 0 50 7 3 4 0 2o 0 50 8 0 8 5o 1 1 50 6 0 8 0 9 0 1 0 51 2 1 9 1 2o 11 2 9 3 60 2 0 51 0 9 5 6 4 o 2 31 7 0 4 2 20 2l - 7 7 8 70 3 0 5 i 5 8 0 7 4 0 3 9 52 1 8 9 3 20 3 12 2 6 3 80 4 0 52 0 6 5 8 4 0 6 32 6 7 4 4 20 4 62 7 4 8 90 5 52 5 5 0 9 4 o 8 63 1 5 9 5 20 6 1 53 2 3 40 6 7 53 0 3 6 0 4 l - 0 73 6 4 4 6 20 7 6 53 7 1 8 1 20 8 23 5 2 1 1 4 1 3 2 54 1 2 9 7 2l4 2 0 4 21 0 2 54 0 0 6 2 4 l | 9 4 54 6 1 4 8 2 l 2 34 6 8 9 31 1 9 5 4 4 9 1 3 4 2 8 6 55 0 6 4 6 41 4 55 1 7 4 41 4 8 54 9 7 6 4 4 3 2 35 5 4 9 7 41 7 25 6 5 9 51 6 95 4 6 1 5 4 3 5 l6 0 3 4 8 41 9 66 1 4 4 61 9 65 9 4 6 6 4 3 8 56 5 1 9 9 42 3 56 6 2 9 72 1 7 56 4 3 1 7 4 4 3 1 57 0 0 5 0 42 7 27 1 1 4 82 4 86 9 3 3 0 i 4 7 1 57 4 9 0 1 43 1 l7 6 0 9 72 7 7 57 4 3 4 2 8 5 1 27 9 7 5 2 44 8 38 0 9 4 83 1 0 57 9 8 7 9 8 5 4 98 4 5 8 3 85 1 0 5 8 5 9 ( 开裂) 3 5 28 4 8 5 3 3 5 7 9 5 9 0 1 7 ( 开裂) 6 1 89 0 8 4 63 9 3 5 8 9 8 ( 开裂) 6 4 8 59 6 4 3 26 9 3 59 5 6 9 74 4 7 59 4 6 8 7 6 7 1 6l o 1 2 8 37 8 7i 0 0 5 4 85 1 8 59 9 6 6 7 9 6 8 0 7l o 6 1 3 48 4 8i 0 5 3 9 97 0 3l o 4 6 9 0 4 6 8 8 lu 0 9 8 59 2 9l l - 0 2 58 3 3 5i 0 9 7 1 2 9 6 9 5 2 51 1 5 8 3 61 0 0 4 51 1 5 1 0 l 9 2 0 5l l4 7 3 5 4 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 3 71 2 0 6 8 71 1 2 2 51 1 9 9 5 21 0 3 21 1 9 7 5 7 9 6 1 1 3 2 51 2 5 5 3 8 1 2 3 1 1 2 4 8 0 31 1 4 21 2 4 7 8 0 4 6 1 2 3 4 51 3 0 3 8 91 3 1 21 2 9 6 5 41 2 5 l 1 2 9 8 0 2 9 6 1 3 5 6 51 3 5 2 41 3 8 31 3 4 5 0 51 3 4 61 3 4 6 5 3 9 6 1 5 ，1 2 51 4 0 0 9 l 1 4 6 21 3 9 3 5 6 1 4 1 7 51 3 9 5 0 4 9 6 1 4 4 9 4 21 5 3 11 4 4 2 0 71 4 9 3 5 1 4 4 3 5 5 9 6 1 4 9 7 9 31 6 1 6 51 4 9 0 5 81 5 6 71 4 9 2 0 6 9 6 1 5 4 6 4 41 6 9 8 51 5 3 9 0 91 5 4 6 51 5 4 0 5 7 9 6 1 5 9 4 9 51 7 8 1 51 5 8 7 61 7 3 71 5 8 9 0 8 9 6 1 6 4 3 4 61 8 7 81 6 4 9 3 41 8 3 21 6 3 7 5 9 9 6 1 6 9 1 9 71 9 7 4 51 7 0 4 2 21 9 4 41 6 8 6 1 0 9 6 1 7 8 8 9 91 7 8 3 u2 0 91 7 3 4 6 1 9 6 1 8 8 6 0 11 8 5 0 2 42 1 9 41 7 8 3 1 2 9 6 2 l8 9 ( 断裂)2 0 9 6 ( 断裂)2 1 8 7 ( 断裂) 在配置两根直径为8 m m 的g f r p 筋梁中，根据实验纪录当梁出现第一条 裂缝的时候，所施加的荷载为9 k n 左右，这时梁的跨中挠度为5 m m 左右，裂 纹的位置位于右侧荷载作用点的下方离梁中点4 5 m m 处。随着荷载的继续增 加裂纹沿着垂直水平面稍微向梁中心倾斜的方向迅速延伸，当荷载继续增加 l k n 后，第一条裂纹已扩展约为梁深的1 3 ，当荷载增加2 k n 后第一条裂纹 己扩展约为梁深的2 3 ，此时裂纹最宽处约为l r a r a ，此时裂纹出现的情况及 断裂情况如图2 - 8 所示。随着荷载的继续增加，裂纹贯穿整个截面，混凝土 和g f r p 筋都破坏，此时梁的断裂荷载平均值为2 1 5 7 3 i k n 。最后我们可以 根据实验纪录的荷载和挠度值画出粱的荷载一挠度图，如图2 - 9 所示： 从梁的弯曲断裂面( 图2 8 ) 可以看出，g f r p 筋最后被拉断，没有发 生界面滑动脱胶现象，即g f r p 筋能够较好地与呋喃树脂混凝土粘结在一起， 能够较好的满足构件共同承载的要求。比较g f r p 筋梁和钢筋梁，前者的破 坏荷载为2 1 5 7 k n ，后者为2 1 2 0 k n ，即g f r p 梁的破坏荷载比钢筋梁略大， 这是由于g f r p 筋的抗拉强度比钢筋高。但是g f r p 筋梁在同样荷载作用下， 比钢筋梁的挠度要大，尤其在开裂后梁的下半部分拉伸荷载全部由加强筋承 武汉理工大学硕士学位论文 担时，g f r p 梁的挠度约为钢筋粱的3 4 倍，这对于混凝土构件来说是一个 不好的现象。需要说明的是：g f r p 单位重量的价格是普通钢筋的2 倍，但 是单位体积的价格只有普通钢筋的4 0 ，因此采用8 m m 直径的g f r p 筋和5 m m 直径的普通钢筋，其经济性相当。 图2 - 8g f r p 筋梁开裂及断裂示意图 图2 9g f r p 筋梁的荷载挠度图 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 实验结论 根据我们所做的实验及其所得到的结果和观察到的现象，我们可以对 g f r p 筋和呋喃树脂混凝土、水泥混凝土的粘结强度和其他的一些力学性能 有了一定的了解，得出如下的一些结论： 1 ) g f r p 筋具有较大的抗拉强度，达到6 0 0 m p a 左右，远远高于普通钢 筋的抗拉强度，并且它的弹性范围大，拉伸应力一应变图主要呈线形分布， 这一点对于结构中的应用是非常有利的。 2 ) 采用g f r p 筋加强树脂混凝土和水泥混凝土时，筋的表面进行缠绕 玻璃纤维处理，其效果比不处理或表面涂砂、表面打毛处理要好，可以获得 较高的粘结强度，虽然低于螺纹钢筋的粘结强度，但是却和光面钢筋的粘结 强度相当。 3 ) g f r p 筋与呋喃树脂混凝土的粘结性能要明显优于与普通水泥混凝土 之间的粘结性能。 4 ) 表面缠绕纤维g f r p 筋的粘结性能能够较好的适用于梁结构中，并 且由于g f r p 筋有较高的抗拉强度，因此g f r p 筋梁能够承受较高的破坏荷载， 但是变形较钢筋混凝土梁大。 5 ) 采用g f r p 筋代替钢筋是完全可行的，不仅可以获得优良的防腐性 能，而且在综合价格上与采用普通钢筋相当，尤其对于树脂混凝土结构，采 用g f r p 筋加强更加具有优越性。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章g f r p 筋混凝土界面失效机理的细观力学分析 3 1 概述 在上一章中我们使用拔出实验的方法对表面进行过不同处理的g f r p 筋、普通钢筋和螺纹钢筋与呋喃树腊混凝士、普通混凝土之间的粘结强度进 行了测试，比较了各种筋材与不同的混凝土之间粘结强度的大小。在这一章 中我们将在实验的基础上使用细观力学的方法对g f r p 筋混凝土结构建立 了细观力学模型进行理论分析【3 3 q8 1 ，试图找出界面粘结性能与筋材、混凝 土的各种参数之间的对应关系，并推导出失效荷载的理论计算方法，以达到 提高g f r p 筋粘结性能的目的。并且对照实验结果来检验该理论方法的可行 性。 3 2 模型的建立 当g f r p 筋增强混凝土结构受到外力作用的时候，也就是当混凝土中的 g f r p 筋受外力作用而拔出时( 如图3 - 1 所示) ，经常选择一个典型的体积单 元模型1 3 3 l 。在这里我们选取如图3 2 所示的圆柱体模型来进行研究，从图 中可以看到模型单元由直径为d 的g f r p 筋和它周围的直径为d 的混凝土组 成，假设混凝土材料为各向同性，g f r p 筋为横向和纵向各向同性的材料， 将此模型放入到柱坐标( r ，z ，0 ) 中进行弹性分析，在设立的模型及假设 的基础上对g f r p 筋的粘结强度进行理论分析， 当受到外力作用g f r p 筋和周围混凝土发生耦合失效而被拔出时，主要 分为两种情况 3 3 | ：( 1 ) 分离失效，它是因为g f r p 筋和周围混凝土之间的界 面的剪应力超过了它的剪应力强度，或者是因为增强物周围的混凝土破裂， g f r p 筋和混凝土分离开。( 2 ) 断裂失效，它是因为由于内部压力丽出现裂 纹的混凝土处失去了机械( 集中) 联锁。对于第一种情况主要研究的是表面较 为光滑的筋材，对于第二种情况主要研究的是表面较为租糙产生机械( 集中) 武汉理工大学硕士学位论文 联锁的筋材。在实际的g f r p 筋混凝土体系中分离和断裂失效都有可能出现， 依赖于结构的几何形状、g f r p 筋表面的设计、作用力和强加于混合结构上 的约束。在实验中我们发现当g f r p 筋被拔出时周围覆盖的混凝土很少没有 损伤的，并且所研究的g f r p 筋都缠绕了纤维或有沙砾涂层，表面较为粗糙，