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由此可以看出,GFRP筋直径较小,搭接长度较短,混凝土强度较高,保护层达到定厚度的试件大多发生拔出破坏。重庆斗拱劈裂破坏,劈裂破坏是因为GFRP筋肋与混凝土形成机械咬合,拉拔力在混凝土中产生环向拉应力所致,是GFRP筋周围混凝土纵向劈裂使GFRP筋被拔出的破坏形式,故其实质是周围混凝土的劈拉破坏,而不是GFRP筋的搭接错固破坏,其最大破坏荷载小于GFRP筋与混凝土黏结破坏极限荷载。发生劈裂破坏的无配箍试件,在对拉力较小时,玻璃纤维开始断裂,间断发出“啪啪”声,加载筋首先开始滑移,而后不久,自由端也开始滑移,但滑移量都很小。随荷载逐渐增大,断裂声变得密集且声响增大,滑移量也不断增大。直到荷载接近峰值时,混凝土表面仍未见肉眼可看到的裂缝。达到极限荷载,裂缝突然贯穿混凝土表面,同时发出剧烈的劈裂声。重庆斗拱FRP筋直径16mm的混凝土试件甚至崩裂为散开的三块或四块,压力表读数急卸至0,表现为明显的脆性破坏。发生劈裂破坏的配箍试件与无配箍试件有明显的不同之处,即在最,后劈裂时,无配箍试件伴随一声“嘭”的巨响,裂缝贯通劈裂,裂缝宽度较大。
试件发生劈裂破坏时,随着混凝土强度的增大,混凝土的抗劈拉强度提高,对应试件破坏荷载增大,黏结强度提高。注:表中显示的是直径12mm,搭接长度分别为120mm、180mm,不同混凝土强度无配箍试件的黏结强度。重庆斗拱混凝土强度C35、C40试件的黏结强度一混凝土强度C30试件的黏结强度)/混凝土强度C30试件的黏结强度×100%。配箍率,不同配箍率试件GFRP筋与混凝土间的黏结强度变化规律。从中可以看出,黏结强度随着配箍率的增大而提高,对于GFRP筋直径12mm、搭接长度120mm的试件,当箍筋间距80mm时,黏结强度较无配箍试件降低了0.17MPa;箍筋间距为6mm、40mm时,黏结强度依次增加了0.37MPa、1.16MPa,增长率分别为3.16%、9.9%。当箍筋间距为8omm时,搭接段只横跨了两根箍筋,对提高外围混凝土抗劈裂能力基本无作用;随箍筋间距减小,配箍率增大,搭接段橫跨箍筋数增多,箍筋和架立筋形成骨架对核心混凝土起到围箍作用,箍筋承担了部分劈拉力,使得试件的抗劈拉能力增强。重庆斗拱显示的是直径12mm,混凝土强度C35,搭接长度分别为120mm、180mm,不同配箍率试件黏结强度。
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)。重庆斗拱国内对于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。重庆斗拱目前,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。
对于直径16mm的试件,搭接长度120mm和180mm无配箍试件全部表现为剧烈劈裂破坏,而配有箍筋的试件大多也都发生劈裂破坏。重庆斗拱这是因为黏结长度大、直径大的试件,相同黏结强度条件下承担的破坏荷载更大,GFRP筋对周围混凝土产生的环向拉应力也就更大,当环向拉应力大于混凝土的抗拉强度时,就会出现在混凝土薄弱部位劈裂破坏;保护层小的试件,混凝土对GFRP筋的握裹力较小,导致GFRP筋达到抗拉强度之前混凝土开裂破坏。由此可以看出,GFRP筋直径较大、保护层厚度较小或混凝土强度较低的试件大多发生劈裂破坏。筋拉断破坏,搭接长度180mm、发生筋拉断破坏的试件以及搭接长度240mm的试件,在荷载较小时加载筋及自由端均无滑移。当荷载加大到一定程度时,加载筋开始滑移,随后自由端也一并滑移,但滑移量很小且滑移增长很慢。而搭接长度为300mm和360mm的试件,自由端基本无滑移。重庆斗拱当荷载增长至GFRP筋抗拉极限时,混凝土表面仍无裂缝出现。伸出试件表面的GFRP筋发出“吭吭”的响声,GFRP筋外围纤维呈小束拉断拉毛并迅速扩展至全截面,断裂发生在筋较为薄弱截面。
300℃、350℃两个温度时随温度的升高炭化逐步加深,试件中黏结胶体的炭化程度已经很高,可以看出从250℃开始GMP筋表面的颜色变得更黑为直径对拉伸弹性模量的影响规律。重庆斗拱由数据可知,随着直径的增大,拉伸弹性模量呈增大的趋势,室温试验时12mmGP筋试件比少0mmGP筋的弹性模量逐渐增加了7.9%,350℃高温后试验时中12mmGP筋比10mmGP筋的弹性模量增加了5.1%为直径对极限应变的影响规律。数据可知,随着直径的增加,室温试验时GFRP筋试件的极限应变有少量增加,即直径大的GFRP筋试件的延伸性能好些;然而350℃高温后试验时中12mmGP筋比41mmGP筋的极限应变由于自身的原因随直径的增大有所降低。恒温时间,为了研究恒温时间对GFRP筋试件材性的影响,300℃时进行了恒温30min、60min、90min、120min四个不同恒温时间的试验。可以看出,GFRP筋的极限抗拉强度在恒温60min时达最大值,9omin、120min时比60min时有所降低;重庆斗拱随恒温时间的增加,拉伸弹性模量逐渐増大;平均极限应变随恒温时间的增加小幅度减小。造成这一结果的原因是随恒温时间的增加,GFRP筋试件炭化、分解越来越严重,所以极限应变随恒温时间的增加降低。
重庆斗拱通过几个月的试验研究发现,常规的酸性溶液、碱性溶液和NaCI溶液对于GFRP筋(乙烯基树脂、无碱玻璃纤维粗纱)制品确实有一定的侵蚀作用,同时由于乙烯基树脂极好的抵抗化学介质的性能,使得常规化学物质的常温侵蚀作用效果十分有限,一般不会超过5%。如此看来,ACI440委员会强调暴露于环境中的构件,采用GFRP筋进行(混凝土)构件增强时,强度标准值应乘以0.7的安全系数,以作为设计强度的提法,是具有客观科学依据的。酸性溶液,为了确认GFRP筋对于酸性溶液的抵抗能力,采用少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分别采用pH值为2和5的H2SO4溶液作为实验介质。②GFRP螺纹筋的浸泡。将GFRP螺纹筋分别放入两种H2SO4溶液中常温浸泡,浸泡时间为90天。③浸泡后的GFRP螺纹筋再进行拉伸试验。将浸泡后的GFRP螺纹筋取出后,用清水将表面洗净。重庆斗拱实验结果如下。①GFRP螺纹筋经过pH=2的H2SO溶液浸泡90天后,拉伸强度由602.51MPa下降到579.31MPa,拉伸强度保持率达96.1%,下降幅度仅3.85%。②弹性模量由41.68GPa上升到43.19GPa,基本保持不变。
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