GFRP变形筋拉伸试件套筒胶结型端部加强段应力场分析

1前言
    为解决海洋、码头、水利水电等各类水工结构工程，桥梁、路面工程和化工厂房等中的钢筋腐蚀问题和锚固工程钢锚杆的腐蚀问题以及防磁工程的需要，国内外围绕FRP筋（锚杆）的制备、工程应用、规范标准的制定等已开展了系列的研究工作。但总体看，有关的应用基础研究、工程应用技术研究还有待深人。
    “十一五”期间交通部围绕离岸深水港航工程、跨江跨海通道工程等建设中存在的结构耐久性问题，基于FRP筋与传统钢筋相比具备以下三大优势：①抗拉强度高；②耐腐蚀；③轻质。立项开展FRP筋混凝土结构在港口工程中的应用研究具有深远的意义。FRP筋非常适用于大型海港工程建设，不仅可较彻底地解决抗盐类腐蚀问题，还可有效减轻结构自重，因此采用纤维增强复合材料筋取代传统钢筋混凝土结构中的钢筋（或钢绞线），前景广阔。
    抗拉强度是FRP筋材应用中必不可少的性能指标，而对于其拉伸强度的测试，目前国内外尚没有一个比较统一的标准，相关文献也比较少。国标GB/T 13096. 1一中规定的试验方法〔¹〕显然并不能真实测试FRP筋材的抗拉强度。现在普遍采用的试验方法是美国标准ACI440. 3R-04，但其并没有给出具体的试件制备的细节要求，通常的做法是在试件的端部用胶结型套筒加强，在钢套筒内或采用膨胀水泥，或采用结构胶等。
    本文采用晓士达复合材料建材（广东）有限公司提供的GFRP筋材拉伸试件进行了试验研究，发现目前端部采用的这种胶结型套筒加强的拉伸试件尚存在缺陷，主要是大部分试件的破坏起始点均发生在套筒内，为此本文对端部套筒加强段进行了数值分析。发现试验观察到的这种破坏现象有其必然性。
2试验
2.1试验方法
    参照美标AC1440. 3 R-04中相应试验方法〔²〕。
2.2试件
    本文试件由Hughes Brothers Inc., USA在的分公司晓士达建材（广东）有限公司提供，见图1。

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2.3试验装置
    采用日产岛津AG-IS电子万能试验机进行测试，见图2。
    加载速率为2mm/min，数据采集频率为20Hz，应变测量系采用双镜头非接触式应变仪。
2.4试验结果及分析
    表2给出的是试件测试结果。

    图3,4给出的是典型的p-s曲线即载荷一位移（试验机横梁位移）曲线，p-s曲线呈现双折线特征，折线的位置发生在载荷达到50一60％的极限载荷，位移达到30一40％的破坏位移处。

    图5,6给出的是典型的应力一应变曲线，。一。曲线则呈现良好的直线特征。图中无规律的曲线部分是由于筋材的破坏而引起摄像头捕捉目标在试件的破坏过程中松动、脱落所致。

    p-s曲线呈现双折线特征，σ-ε。则呈现良好的直线特征，这说明筋材本身具有良好的线性，出现折线主要是由于锚固加强段的影响而引起。[-page-] 
    试验中发现当载荷达到15％极限载荷时，微小的“僻僻啪啪”的树脂裂开或剥离的声音便能听到，随着载荷的进一步加大，这种声音越发明显直至破坏。
    试件破坏多起始于试件一端的套筒内，终表现为GFRP筋材的断裂，断裂是突然发生的，属于脆性破坏。
    正如图7所示，试件断裂起始位置大多出现在钢套筒的根部。

3数值分析
3.1建模
   为了解释大多数试件的破坏起始点均发生于钢套筒根部的这一现象，本文用大型通用有限元分析软件ANISYS对FRP筋材拉伸试验进行了数值仿真分析。
  根据问题的对称性，取1/4试件作为研究对象。GFRP筋材按正交各向异性材料分析，膨胀水泥和钢套筒则均按各向同性材料处理，单元选取SOL-IDE45实体单元。分别建立筋材实体、膨胀水泥实体和钢套筒实体，然后依次划分网格，定义彼此的接触属性，施加对称约束条件、边界条件和载荷。模拟试验机夹具夹持试验件钢套筒的情况，根据契紧块的承力特点，在钢套筒的夹持区域同时施加一定比例的法向力（233 MPa）和切向力（11781N，该力相当于600 MPa的筋材的纵向应力），以分析试验中钢套筒加强段区域内应力场的分布情况。表3为建模的基本数据，图8所示为本文建立的数值分析模型。

3.2数值分析结果
    对以上模型进行求解并进行后处理，可得到筋材纵向应力分布图。由图9,10可以清楚看到，在钢套筒上端的根部区域即标有MX字样处的应力值是大的，其纵向应力为674MPa。可见套筒根部的应力集中现象很明显，明显大于杆体施加的应力600 MPa。

    这样的分析结果与试验的结果是吻合的，从理论上解释了试件的断裂起始点大多位于套筒加强段根部的原因。
4结论
    通过本试验，可以得到诸如P-s曲线呈现双折线特征、Q-E曲线呈现良好的直线特征以及多数试件的破坏起始点发生在套筒加强段内等GFPR筋材拉伸试件的破坏规律，套筒胶结型试件能够确定FRP筋材的弹性模量，但事实上并没有完全真实地反映筋材的基本的力学性能一拉伸强度。如何改进，以便达到比较良好的效果，尚在本课题的进一步研究之中，希望本文的研究能对相关规范的制定尽
到一些绵薄之力。