文摘

工厂生产的钢纤维增强聚合物复合材料栏(SFCB)是一种新型的钢筋混凝土结构。SFCB的制造技术提出了基于大量的手工制作的标本。普通钢筋的应力-应变曲线计算和SFCB反复拉伸加载相应的实验结果吻合较好。耗能能力和残余应变的钢筋和SFCB进行了分析。基于良好的普通钢筋的模拟结果和玻璃钢杆压缩载荷作用下,SFCB单调加载下的压缩行为进行了研究使用等效抗弯刚度的原则。有三种失效模式SFCB压缩载荷作用下,弹性屈曲,postyield屈曲,屈曲(达到极限抗压强度)。SFCB postyield刚度的增加可以推迟SFCB postyield屈曲的大长径比,和一个经验方程后屈曲应力和之间的关系建议,可用于混凝土结构的设计加强了SFCB考虑钢筋屈曲的影响。

1。介绍

纤维增强复合材料(FRP)已经广泛应用于航空航天、造船、汽车和机械行业自1940年代。近年来,玻璃钢已经成为土木工程的一种新型的钢筋强度高,重量轻,和防腐性能1,2]。设计指南提出了预应力混凝土结构的玻璃钢杆ACI委员会(3]。随着研究和应用的发展,不同类型的玻璃钢的缺点包括以下:玻璃钢的极限抗拉应变一般不超过3%,不能满足混凝土结构的延性需求位于高地震灾害的地区;碳的价格玻璃钢(碳纤维增强塑料)不能满足土木工程中使用的低成本的要求;玻璃钢的抗剪强度是大约5%的抗拉强度、脆性玻璃钢可能在施工过程中被打破(混凝土振动、锚定或弯曲);玻璃的弹性模量玻璃钢(GFRP)或玄武岩玻璃钢(粘贴)较低,不能保证相应的混凝土结构的刚度。研究混合进行了FRP增强混凝土梁钢筋的刚度和延性(4];然而,实现延性的部分纤维断裂伸长率较低利率。钢筋的特点是低强度、高弹性模量、高韧性,耐久性差,和大密度,而玻璃钢相反的特征。通过结合钢铁和玻璃钢、复合酒吧和优化性能,钢筋混凝土梁和混合研究的角度研究了腐蚀控制和改善刚度(5,6]。

如图1稳定postyield刚度steel-FRP复合酒吧(SFCB) (7)可以通过结合线性弹性玻璃钢和弹塑性钢筋。与钢筋相比,SFCB相对减少的重量,防腐性能提高。与纯玻璃钢杆相比,复合杆的刚度大大提高,特别是对GFRP或粘贴酒吧(8,成本低得多。GFRP杆相比,粘贴栏可以有一个相对较高的刚度和强度相同的成本(9,出现的疲劳行为和降解机理进行了不同应力水平下的循环载荷(10赵等人在东南大学。采用粘贴纤维生产复合酒吧(steel-BFRP复合酒吧)。

SFCB的力学行为11混凝土梁的静态行为,强化了SFCB [12),混凝土梁加强near-surface-mounted SFCB[(销售经理)13)是由我们的研究小组。这些研究表明,有效的SFCB postyield刚度可以提高相应的钢筋混凝土结构。提高混凝土结构的抗震性能,可以用作SFCB纵向钢筋形成可控postyield刚度(14,15]。此外,SFCB和混凝土之间的粘结强度可以优化来提高结构的抗震性能(16]。本文主要介绍了工厂生产的技术SFCB和拉伸下的力学性能/重复拉伸加载。基于实验结果对普通钢筋和玻璃钢杆压缩载荷作用下,postyield刚度和等效长径比的影响(ELDR) SFCB压缩行为进行了分析。

2。工厂生产SFCB

SFCB几个关键接口,包括纤维/树脂矩阵,钢/玻璃钢,SFCB /环境媒体。的剪切性能接口直接反映了SFCB的力学性能。玻璃钢的脱胶纤维和树脂之间的界面矩阵可以有效地调整玻璃钢内的应力分布,并可以充分利用光纤的强度极限。关键生产技术和SFCB的基本力学性能进行了基于大量探索性试验(图2)使用参数包括内部钢类型(圆形或肋钢筋),内部钢筋直径、FRP板类型、钢/玻璃钢接口处理,等等。

当使用一个圆条为核心,外纵向纤维的均匀分布可以保证。在这种情况下,可以充分利用玻璃钢的强度。然而,相应的SFCB拉伸试验表明,圆内钢筋之间的相对滑移和外部玻璃钢发生。安克雷奇的测试表明,圆钢筋之间的粘结性能和外玻璃钢很难保证。因此,肋钢筋与绕组粗纱被选为核心部件的SFCB(图3(一个))。缠绕纱可以填补空白的肋骨之间钢筋保护纵向FRP免受伤害。与此同时,一个增强钢筋和玻璃钢之间的接口实现。SFCB的工厂生产,提出了通过修改当前玻璃钢拉挤设备(图3 (b)),表面肋骨是由绕组塑料带的拉挤成型过程中与特定的宽度。修改后的拉挤设备还可以用于生产钢wire-FRP复合酒吧或者steel-hybrid玻璃钢复合酒吧对不同结构的需要。

3所示。机械性能的拉伸和重复拉伸加载下SFCB

SFCB的力学性能可以表示基于复合法律[11),拉伸postyield SFCB刚度比可以通过计算 在哪里和的弹性模量和横截面积的外玻璃钢SFCB,分别和和弹性模量和内部钢筋的截面积,分别。

钢筋的力学性能,玄武岩纤维,SFCBs获得实验如表所示1,S10-B20代表SFCB 10毫米直径内纵向钢筋制成的包装2400年20包特克斯玄武岩纤维。单位“特克斯”表示每包的重量以克纤维长1000米。从表可以看出1玄武岩纤维的强度与20包S10-B20大约是65.7%的原始纤维强度。此外,玄武岩纤维的有效力量将进一步减少了玄武岩纤维的越来越多。例如,30包的平均强度的玄武岩纤维在S10-B30大约57.3%的原纤维。原因强度降低可能是由于不可避免的不均匀性的外层纤维在SFCB拉挤成型过程中,这将导致一个初始弯曲和部分外部纤维的断裂。

数值模型的内部钢筋和外玻璃钢SFCB分别成立于OpenSees ([17)),ReinforcingSteel采用钢筋通过定义屈服点吗硬点切,初始应变硬化和应力-应变峰值点。玻璃钢的力学行为SFCB是根据测试结果;钢/玻璃钢的接口被认为是完美的结合。内部钢筋的载荷应变曲线和S10-B20反复拉伸载荷作用下呈现在图4。它可以发现,计算值与实验曲线基本一致。相比之下,一个普通的钢筋,SFCB可以实现少残余应变在同样的卸载应变,因此减少卸载残余应变的SFCB钢筋混凝土结构。优势:有两个原因SFCB的卸载应力水平高于一个普通钢筋相同的卸载应变和卸载刚度;当SFCB的内部钢筋达到“0”应力与塑性残余应变,相应的玻璃钢仍然在“张力”由于内部钢筋的剩余拉伸应变。因此,玻璃钢将进一步压缩内部钢筋,然后减少SFCB的残余应变。S10-B20之后达到了一个相对较大的应变(> 13500με),测试残余应变略大于计算值,这表明,压缩效应的线性弹性玻璃钢内钢筋是减少。

钢筋和SFCB的耗能能力,达到相同的卸载应变如图5(一个)的集成,可以计算载荷应变曲线。钢筋硬化很小在玻璃钢骨折;因此,耗散的能量的比值内部钢筋到SFCB可以计算如下: 在哪里和分别是屈服应变和极限应变。可以看出,增加SFCB有较大耗能能力在同一应变峰值。

实验和计算残余压力S10-B20如图5 (b)。只有实验值的钢筋(S10)上市,因为计算值与实验值基本上是一致的。它可以发现S10-B20减少了大约10%的残余应变与相应的钢筋相比,和减少残余应变略有增加时,应变接近终极阶段(图5 (b))。的残余应变测试S10-B20略大于计算值。原因主要如下:玻璃钢是假定为完全连续的计算和钢筋没有初始弯曲,而在实验SFCB表面是由一个塑料带;纵向纤维部分弯曲,导致一个FRP应变身后的内部钢筋;内部钢筋被认为与外玻璃钢一起工作,虽然在现实中一个相对滑移发生在钢/玻璃钢内钢筋屈服后的界面。

4所示。SFCB的压缩行为

4.1。普通钢筋的抗压的行为

当局部剥落的混凝土保护层混凝土柱时,纵向钢筋会暴露在环境马镫[18),在实验室和机械模型可以被看作是有两端固定(图6(一))。随着压缩的发展力,左边的中间部分是在压缩右边在紧张的时候。中间部分的侧向变形的发展增加压缩加载(图6 (b))。

大量的实验和理论研究钢筋的压缩行为进行了(19- - - - - -21]。主要参数的几何形状钢筋,屈服强度(普通钢筋,高强度钢筋)、硬化程度,和加载模式(单向压缩,循环拉伸和压缩载荷)。之间的比率测试钢筋的长度和直径定义如下: 在哪里和纵向钢筋的计算长度和钢筋直径,分别。

滞回行为的试验研究钢筋受拉,反复拉伸和循环拉伸,压缩装载是由郑(22]。对比测试结果和相应的计算曲线如图7中,钢筋的弹性模量GPa,屈服强度MPa,应变硬化,极限强度 。发现拉伸骨架曲线与实验结果(图同意7(一))。数据7 (b)- - - - - -7 (d)说明钢筋的压缩行为的仿真结果10和20。中间节点的初始横向漂移将1/1000的直径达到一个统一的屈曲模式。这是发现骨干曲线压缩载荷作用下的计算10和20与实验数据吻合较好。

比较循环荷载下的钢筋的应力-应变关系(呈现在图7 (d)。计算曲线不能完全同意测试结果由于收敛问题。为了避免加载路径的影响的影响SFCB的压缩行为,SFCB单调的抗压荷载下的性能。

4.2。SFCB的压缩行为

玻璃钢SFCB包装在外面,所以有必要分析FRP酒吧的压缩行为。有很大的区别的拉伸和压缩行为玻璃钢酒吧(23]。差异可能是由于纤维类型、纤维体积分数和树脂类型。玻璃钢杆的失效模式下压缩包括横向拉伸断裂、局部纤维屈曲或剪切破坏。GFRP杆的抗压强度值,碳纤维增强塑料酒吧,和滞回酒吧通常被认为是55%,78%,和20%的抗拉强度,分别24]。

SFCB压缩加载下的应力-应变关系(见(4)可以根据拉伸加载下的本构关系7]: “−”意味着SFCB压缩载荷作用下。相应的SFCB postyield刚度比压缩载荷作用下可以计算如下: 它可以发现拉伸postyield SFCB = 0时的刚度比是0,纯玻璃钢杆1对应是1。

因为有一个大区别钢筋的抗压模量和玻璃钢杆,SFCB的等效抗弯刚度的定义是(图8),对应的当量直径和等效抗压强度SFCB可以计算使用(6)和(7),分别为: 在哪里和内部钢筋的直径和SFCB的直径,分别。是压缩负荷。的临界载荷SFCB有两个固定结束可以基于计算 在哪里和是钢筋的面积的转动惯量和玻璃钢,分别。系数考虑约束。相应的SFCB ELDR被定义为。

4.3。参数分析SFCB

的实验研究粘贴栏单调压载荷作用下的压缩行为进行了周(25),他发现粘贴栏的抗压弹性模量是大约80%的拉伸弹性模量、抗压强度是大约50%的抗拉强度。根据测试结果,粘贴栏下的应力-应变行为拉伸和压缩加载如图9(一个)。与增加玻璃钢杆的最大平均应力逐渐降低由于酒吧屈曲。之间的比较计算无量纲临界压缩负荷和相应的理论价值呈现在图9 (b),前者比后者少大约是14.2%,这是由于初始抵消OpenSees(直径的1/1000)的模型。临界压力的发展趋势增加仍在良好的相互协议;因此,该计算方法可用于分析SFCB的抗压性能。

SFCB的等效载荷应变曲线和应力-应变曲线,与相同的和不同postyield刚度比率,在图所示10。载荷应变曲线显示的初始抗压刚度SFCB保持不变(图10 ()),而SFCB的初始抗压弹性模量随的增加而减小(图10 (b))。最初的抗压弹性模量的方程SFCB可以提出如下:

当相对较小,可以大大提高刚度退化的增加在平均应力达到峰值应力。时的值4 - 15,收益率发生第一次,然后获得了稳定postyield刚度(图10 (b)),这是类似于紧张的行为。与增加,SFCB较低价值扣。相比之下,SFCB更高显示了一个更好的压缩postyield刚度。SFCB抗压屈服后的发生,最终稳定应变增加而增加(图10 (c))。例如,当的值SFCB 15、20、25,相应的维持一个稳定的抗压postyield刚度分别为0.15,0.35,和0.50,分别。当是30至45岁的弹性屈曲发生在所有的SFCBs。然而,压缩后屈曲曲线的斜率随负刚度,刚度为零值增加(图10 (d))。例如,普通钢筋的后屈曲应力与抗压荷载的发展急剧减少,而对于SFCB,什么时候,后屈曲应力-应变曲线可以维持一个水平线,这表明一个稳定的后屈曲能力可以实现。这种现象类似于弹性屈曲后的弹性纤维塑料筋。

压缩postyield刚度之间的关系比和拉伸postyield刚度比例见图11,压缩postyield刚度比是安装使用压缩应变值−−0.0054和0.0064之间。它可以发现,增加,要求保持一个稳定的抗压postyield刚度增加。

增加的屈曲载荷SFCBs相同的初始刚度逐渐增加,而等效应力保持不变。弹性屈曲的压力下降部分也增加而增加,直到达到屈曲应力。通过比较两组弹性屈曲应力值的标本(等于45到50),平均压应力的函数(−0.016)压缩应变时,基本上独立于。当0和0.8之间,(10)可以获得确定系数= 0.998(图12)。后的值SFCB达到0.8,压应力是约等于屈曲应力峰值

4.4。SFCB的压缩破坏模式

基于上述参数分析,可以发现,有三种压缩失效模式SFCB(图13):(a)弹性屈曲之前内部钢筋的屈服;(b)屈曲后的内部收益率SFCB钢;和(c) SFCB达到其极限强度。弹性屈曲失效模式时,postpeak压力承载能力增加而增加,直到它到达屈曲应力峰值。

不同的失效模式的确定方法如下:(1)当,发生弹性屈曲,屈曲应力峰值可以计算使用(8),所表达的postpeak压力(10)。(2)临界荷载时的屈服载荷之间SFCB ()和极限载荷、弹性屈曲方程不再适用。在这种情况下,收益率被定义为后负荷增加。这是一个负载等于玻璃钢的临界屈曲载荷-屈服载荷由玻璃钢()。失效模式是SFCB屈曲后内部钢筋的屈服。(3)当临界载荷达到SFCB的极限抗压强度,不发生屈曲。

5。结论

根据工厂生产的SFCB SFCB拉伸下的力学性能,重复拉伸,压缩加载分析,可以得出以下结论:(1)接口SFCB制造的圆钢筋和玻璃钢不能保证,和粗纱应该放在竹节钢筋内部和外部之间的纵向纤维,确保接口的性能。(2)SFCB反复拉伸加载下的力学行为可以在OpenSees模拟。类似于一个纯玻璃钢酒吧,SFCB略微降低的极限强度的增加玻璃钢内容。由于玻璃钢的弹性性质,残余应变的SFCB (S10-B20)可以减少超过10%后,卸载应变达到13500με。(3)SFCB postyield不同刚度的弹性屈曲应力比率可以通过相应的统一等效的长径比SFCB基于等效抗弯刚度。当SFCB发生的屈曲内钢筋屈服后,SFCB postyield屈曲荷载的增加postyield刚度的增加,和玻璃钢杆的贡献应该考虑屈曲载荷。后屈曲应力的经验方程考虑的影响提出了。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认金融支持中国的国家关键技术支持计划(2014 bak11b04),中国国家自然科学基金(51408126号,51528802),江苏省自然科学基金、中国(没有。BK20140631),项目重点学科资助项目开发江苏高等教育机构(CE01-2-3)。