为了研究圆截面碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢管混凝土的弯-扭性能,设计了9个试件进行弯-扭静力性能试验。设计试验对试件的扭矩-转角(T-θ)曲线、剪应力-剪应变(τ-γ)曲线的特点进行了研究。采用ABAQUS模拟了试件的T-θ曲线和变形模态,并与试验结果进行对比。结果表明:模拟与试验结果吻合较好,所提出的模拟方法能够合理、准确地预测圆截面CFRP-钢管混凝土(CFRP-ST/C)的弯扭性能。同时通过参数分析对CFRP层数、材料强度、弯矩比和含钢率等参数对构件弯-扭性能的影响进行研究。最后,以试验与有限元结果为基础,提出了CFRP-ST/C的弯-扭承载力的计算表达式,通过计算可知,构件抗扭承载力计算结果/抗扭承载力试验结果(Tftc/Tftt)的平均值为0.998,均方差为0.038;构件抗扭承载力计算结果/抗扭承载力有限元结果(Tftc/Tftf)的平均值为0.973,均方差为0.051。
传统拉挤成型FRP箍筋存在受拉纤维不连续、破坏模式不合理和弯曲段抗拉强度过低的瓶颈问题,本文提出了纤维连续、完全闭合的矩形截面连续纤维GFRP箍筋,并对其开展弯曲段受拉性能试验,建立弯曲段受拉强度预测模型,探索力学性能最优的箍筋截面宽厚比。
采用ACIB.5试验方法开展箍筋弯曲段受拉试验,测试并得到了9种不同矩形截面连续纤维GFRP箍筋与传统拉挤圆形截面箍筋的弯曲段受拉强度,考察箍筋形式、宽度、厚度及宽厚比对新型箍筋的弯曲段受拉强度的影响规律,讨论四种现有箍筋弯曲段受拉强度预测模型对于矩形截面连续纤维GFRP箍筋的适用性,并根据试验数据建立考虑弯曲半径与截面宽厚比影响的矩形截面连续纤维GFRP箍筋弯曲段受拉强度预测模型,给出连续纤维GFRP箍筋最优宽厚比和弯曲半径的合理取值范围。
(1)拉挤成型箍筋的弯曲段受拉强度与直线段受拉强度之比/约为0.39,而连续纤维箍筋的/可达0.63~0.85,比前者提高了70%~118%。(2)所有试件的破坏均发生在箍筋弯曲段,拉挤箍筋弯曲段外层纤维破坏严重,直线段基本保持完好。对于矩形截面连续纤维箍筋,宽厚比小的箍筋在直线段与弯曲段交界处发生局部纤维分层;宽厚比大的箍筋在弯曲段破断前直线段发生明显的纵向劈裂现象。(3)对于矩形截面连续纤维GFRP箍筋,当截面宽度为14mm时,截面厚度由3.75mm增加到6mm,/减小了11.2%,且对于由4mm增到5mm与由5mm增加到6mm,/分别减小了5.7%和4.5%,下降幅度减缓。当截面厚度为3mm时,箍筋的截面宽度由9mm增大到18mm,使得/下降了11.1%。(4)当截面面积一定时,在宽厚比增长初期,厚度减小导致/增大的趋势将占据主导地位,/总体上呈增长趋势;随着宽度的不断增大,宽度增大导致/降低的趋势越来越明显,存在最优宽厚比的情况。(5)依据建立的连续纤维GFRP箍筋弯曲段受拉强度预测模型进行预测,得到三种常用截面面积下的不同弯曲半径的最优宽厚比与/近似成线性关系,且弯曲半径与最优宽厚比两者也近似成线性关系。
(1)连续纤维箍筋的弯曲段受拉强度相比于拉挤箍筋得到显著提高。(2)当截面宽度相同时,随着截面厚度的减小,/呈增长趋势,且增幅逐渐增大。当截面厚度相同时,连续纤维GFRP箍筋的/随着截面宽度的增加呈降低趋势。当截面面积一定时,截面宽度与厚度耦合影响弯曲段受拉强度,存在最优宽厚比的情况。(3)建立了连续纤维GFRP箍筋弯曲段受拉强度的预测模型,与试验结果吻合较好。建议矩形截面连续纤维GFRP箍筋的弯曲半径在25~40mm范围内取值,并建议其最优宽厚比在2~8范围内取值。
传统FRP箍筋采用拉挤成型工艺制备,存在如下瓶颈问题:(1)受拉纤维不连续,采用搭接连接的方式形成封闭箍筋,依靠搭接区段箍肢与混凝土的黏结来传递拉力,当保护层开裂或剥落后,箍肢搭接区段极易发生黏结锚固破坏,无法持续发挥FRP材料的高受拉强度。(2)箍筋在树脂热固前需要弯曲成型,使得角部弯曲段内层纤维产生大量褶皱,引起纤维的受力不均匀从而导致弯曲段受拉强度较低,仅为直线段受拉强度的30%~60%。低受拉强度会造成FRP箍筋在弯曲段受拉时过早断裂,大幅降低材料的利用效率。
为解决上述问题,创新性地提出了一种新型FRP箍筋的制备方法。在模具上逐层环向缠绕充分浸润树脂的连续纤维束,固化脱模后形成FRP管,沿管的横截面方向进行切割,最终得到纤维连续、完全封闭、横截面为矩形的FRP箍筋。相比于传统拉挤FRP箍筋,连续纤维箍筋不存在搭接区段,避免了拉挤箍筋可能出现的黏结锚固破坏。新型箍筋由单层纤维束采用逐层缠绕的方式制备,在弯曲段纤维不会产生褶皱,弯曲段受拉强度得到了显著提高,提升了复材利用效率。目前在国内外尚未发现对这种连续纤维FRP箍筋弯曲段受拉性能的研究,确定力学性能最优的矩形截面尺寸是该类箍筋应用的关键科学问题。本研究对不同截面尺寸的连续纤维GFRP箍筋开展弯曲段受拉性能试验,揭示箍筋截面尺寸对弯曲段受拉强度的影响规律,建立箍筋弯曲段受拉强度的预测模型,寻求矩形截面的最优宽厚比,为该类箍筋的实际应用提供材料性能依据。
纤维增强复合材料(FRP)箍筋角部弯曲段受拉强度是箍筋破坏的关键控制参数,为研究新型矩形截面连续纤维玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)箍筋的弯曲段受拉性能,采用ACIB.5试验方法测试并得到了9种不同矩形截面GFRP箍筋与传统拉挤圆形截面箍筋的弯曲段受拉强度,考察了箍筋形式、截面宽度、厚度及宽厚比对GFRP箍筋弯曲段受拉性能的影响规律。试验结果表明,矩形截面连续纤维GFRP箍筋的弯曲段受拉强度与圆形截面拉挤箍筋相比有明显提高。弯曲段受拉强度与直线段受拉强度之比随矩形截面厚度的减小而增大,随截面宽度增加而减小。当截面面积一定时,随着宽厚比的增大,弯曲段受拉强度与直线段受拉强度之比呈增大趋势,但增长幅度逐渐减小。根据试验数据建立了考虑弯曲半径与截面宽厚比影响的矩形截面连续纤维GFRP箍筋弯曲段受拉强度预测模型,箍筋弯曲半径建议在25~40 mm范围内取值,依据不同的弯曲半径,连续纤维GFRP箍筋最优宽厚比的建议取值范围为2~8,为该类箍筋实际应用提供了设计依据。