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当搭接长度为1.6倍锚固长度时,梁能够达到极限受弯承载力。美国ACI40.1R-06《纤维增强聚合物(FRP)筋增强混凝土结构设计建造指南》根据有限的试验数据和工程经验,兼顾FRP筋强度利用率并保留一定安全储备,建议搭接长度取为1.3。(l为FRP筋的基本锚固长度)。四川假树国内对于FRP筋与和混凝土的黏结性能研究起步较晚,但已有不少学者致力于FRP筋与混凝土黏结性能的研究,进行了大量试验和理论分析研究,取得丰硕的成果。通过FRP筋和混凝土的梁式试验、对拉试验和标准立方体拉拔试验,探讨了GFRP筋直径、肋间距表面形态、黏结长度等对黏结性能的影响,分析了两者的黏结机理和受力过程,提出了GFRP筋与混凝土之间的黏结强度和锚固长度的设计建议。我国《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》结合工程经验,并保留一定安全储备,建议在没有试验数据可供参考时,GFRP筋的搭接长度可取为40d。四川假树目前,GFRP筋的搭接性能相关研究较少,为了推进GFRP筋材料及GFRP筋混凝土结构形式在我国的应用,有必要对GFRP筋的搭接性能进行深入研究,以保证GFRP筋混凝土结构的安全性和可靠性。本章研究的主要内容如下。
GFRP螺纹筋经过pH=5的H2SO4溶液浸泡90天后,拉伸强度由602.51MPa上升到610MPa,四川假树变化幅度为1.2%。弹性模量由41.68GPa上升到44.3GPa,基本保持不变。碱性溶液,将GFRP筋泡在碱性环境[1L水中含有118.5g的Ca(OH)2、0.9g的NaOH和4.2g的KOH,溶液的pH值为12.8,以后每隔1~2周测试一次pH值,均保持在12.5左右。接近于混凝土与水泥砂浆的环境]中3个月(温度变化为0~40℃),检测来看,表面出现较明显的溶胀现象,并伴有发黏、发白的状态。直径12mm和25mm的GFRP筋浸泡3个月前后对比,试验用GFRP筋直径由24.20mm,减少到23.83mm,又2个月后减少到23.74mm;试验用GFRP筋直径由12.25mm,减少到12.19mm,四川假树又2个月后减少到12.14mm经过测试,研究人员没有发现GFRP筋(乙烯基树脂)在常温情况下,产品力学性能出现明显的降低。盐溶液,为了确认GFRP筋对于氯离子的抵抗能力,采用28mm、由乙烯基酯树脂生产的玻璃纤维筋进行测试,试验条件如下。(1)NaCl溶液的配制,①由130kg水、7.8 kg nacl配制得到浓度为6%的NaCl溶液。②由110kg水、40 kg naCl配制得到饱和NaCl溶液。(2)GFRP螺纹筋的浸泡将GFRP螺纹筋分别放入两种NaCl溶液中常温浸泡,浸泡时间为30天、90天。
当GP筋受热后,四川假树在100℃时试件表面的颜色几乎没有什么改变,仍然呈白色;在150℃时,高温试验段的GP筋表面为很浅的黄色;200℃、250℃、300℃三种温度时高温试验段的颜色逐渐加深,由焦黄色→褐色→接近炭黑色;350℃时GP筋高温试验段的表面颜色已经完全呈炭黑色。(a)100℃时的试件颜色;(b)150℃时的试件颜色;(d)250℃时的试件颜色;(c)200℃时的试件颜色;(e)300℃时的试件颜色;(f)350℃时的试件颜色。然而,GMP筋常温时的颜色呈黑色,高温后颜色没有改变,还是呈现黑色,因此单从颜色很难判断GMP筋经历了多高的温度以及是否炭化。GP筋试件表面颜色的变化是因为黏结胶体的炭化引起的。从表面颜色的变化可以看出试件随温度的变化过程:在温度低于150℃时,黏结胶体没有炭化,所以GP筋材表面的颜色没有发生变化;四川假树在150℃时黏结胶体开始轻微炭化,并且随温度的升高,炭化逐步加剧所以随温度的升高,GP筋的颜色逐渐加深;在300℃时GP筋的黏结胶体已经炭化很严重所以高于此温度后试件都呈现炭黑色。
其中,直径10mm、搭接长度180mm的试件表现为黏结强度与是否配置箍筋无关,四川假树主要是因为搭接长度180mm的试件全部发生筋拉断破坏,为非黏结破坏。虽然配箍率对黏结强度影响不大,但配箍试件试验结果离散性小,且破坏表现出一定延性。搭接长度不很大时,配箍率的增大,改善了试件受力不均匀性,限制裂缝开展,加强了GFRP筋外围混凝土的抗劈裂能力。GFRP筋直径,不同筋直径试件GFRP筋与混凝土间的黏结强度变化规律。从中可以看出,黏结强度随GFRP筋直径的增加。注:表中显示的是混凝土强度C35,搭接长度分别为120mm、180mm,降低率=(GFRP筋直径10mm试件的黏结强度一其他直径试件的黏结强度)度×100%。显示的是混凝土强度C35,搭接长度分别为120mm、180mm,箍筋箍试件的黏结强度。(a)搭接长度120mm试件搭接长度120mm、180mm无配箍试件黏结强度随搭接长度120mm的无配箍试件,从直径10mm、12mm到0.12MPa、0.95MPa,降低率分别为1.01%、8.02%。分析其GFRP筋表面的变形大于其横截面中心的变形,这会导分布不均匀,即剪切滞后现象。四川假树直径越大,横截面面积越大,剪切滞后现象就越明显,GFRP筋与混凝土的黏结强度也就会GFRP筋直径越大,包裹在筋表面的混凝土泌水越大,FRP筋与混凝土之间的接触面积减小,造成GFRP筋降低。
尤其是保护层厚度从45mm增至60mm,破坏形态从劈裂破坏变化为筋拔出破坏,黏结强度增加显著。四川假树搭接长度为180mm时,混礙士保护层厚度从30mm变化到60mm,黏结强度依次增加了1.9MPa、2.52MPa,增长率分别为29.19%、3.71%。混凝土保护层厚度从30mm变化至45mm时,黏结强度显著增大,由45mm增至60mm时,增加较小。分析其原因,从混凝土保护层厚度45mm的全部试件劈裂破坏到6mm的部分试件劈裂破坏、部分试件筋拉断破坏,发生的都是非黏结破坏黏结强度均未达到黏结破坏的极限值。混凝土保护层增大,加强了GFRP筋外围混凝土的抗劈裂能力,保护层达到一定厚度时,试件的破坏形态随之变化,非黏结破坏转变为黏结破坏,从而显著提高了试件的黏结强度。混凝土强度,不同混凝土强度的试件GFRP筋与混凝土间的黏结强度变化规律。从中可以看出,黏结强度随着混凝土强度的提高而提高。四川假树对于搭接长度为120mm的试件,混凝土强度从C30变化至C35,黏结强度增加1.99MPa,增长率为20.45%,增长显著;强度从C35变化至C40时,黏结强度增加2.43MPa,增长率为24.97%,增长较少。
不同于单根筋黏结,搭接筋接触缺少混凝土握裹,与混凝土黏结也会相对弱一些。为保证连接可靠,同时充分利用筋材强度,合适的搭接长度十分关键。四川假树国外一般采用梁式黏结试验方法开展钢筋的搭接性能研究,在试验梁的纯弯段进行搭接,变化参数包括钢筋端部形状、配箍率、搭接百分率(25%、50%)、钢筋类别4个参数,通过观察荷载-挠度曲线和裂缝形态,研究了搭接钢筋对试验梁受力性能的影响。对于FRP筋,参照钢筋搭接性能的研究方法,改变搭接长度、筋直径和保护层厚度,进行了GFRP筋和CFRP筋搭接性能的试验研究。研究结果表明,搭接段能够很好地传递作用力,随着搭接段长度的增加,梁的裂缝区域和裂缝数量都会减少。四川假树随保护层厚度的增加,搭接段GFRP筋的黏结强度非线性增长,但保护层厚度增加到一定程度,搭接强度不再增长。进而分析了FRP筋对梁极限受弯承载力的影响,并对不同直径FRP筋的平均黏结强度和临界搭接长度进行了讨论。总之,FRP筋的黏结强度比钢筋的小很多,且筋材的弹性模量对黏结强度的影响很大。
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