混凝土是一種多孔復合材料,當鋼筋混凝土結(jié)構處于腐蝕性環(huán)境中,腐蝕性介質(zhì)能夠通過混凝土的多孔結(jié)構向鋼筋表面滲透,進而破壞鋼筋表面的鈍化膜,使鋼筋產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。鋼筋銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹會引起混凝土的開裂,嚴重時會產(chǎn)生順筋裂縫,大大削弱甚至破壞鋼筋和混凝土的黏結(jié)能力。裂縫的出現(xiàn)又進一步加劇腐蝕性介質(zhì)的侵入,從而形成惡性循環(huán)。這是引起鋼筋混凝土結(jié)構耐久性問題的主要因素。
20世紀80年代中期以來發(fā)展起來的連續(xù)纖維增強復合材料(FRP)筋,有望從根本上解決鋼筋銹蝕引起的混凝土結(jié)構耐久性問題。纖維增強復合材料(FRP)筋是一種高強、輕質(zhì)、耐腐蝕的新型復合材料,可以代替鋼筋和預應力鋼筋應用于混凝土結(jié)構中。國內(nèi)外已大量開展了FRP筋的力學性能、加工工藝性能和結(jié)構性能等的研究,在試驗研究和工程應用方面取得了豐碩的成果。研究表明,F(xiàn)RP筋具有抗拉強度高、密度小、黏結(jié)性能好、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能好、電磁絕緣性能好、完全線彈性性質(zhì)、彈性模量低等特點。采用FRP筋代替鋼筋增強混凝土是既解決耐久性問題又能達到結(jié)構功能要求的行之有效的方法。
根據(jù)增強纖維種類的不同,纖維增強復合材料(FRP)筋可分為碳纖維增強復合材料(CFRP)筋、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)筋、芳綸纖維增強復合材料(AFRP)筋和玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)筋。其中,性能最佳的是碳纖維增強復合材料筋,其力學指標、耐腐蝕性能和疲勞性能等都優(yōu)于其他纖維增強復合材料筋及普通鋼筋。但是,考慮到價格因素,目前工程中常用的是玻璃纖維增強復合材料(GFRP)筋,在土木、交通和水利等工程領域進行了實際應用,取得了優(yōu)異的應用效果,已被廣大工程技術人員所接受,玻璃纖維增強復合材料筋也已進入到工業(yè)化生產(chǎn)和工程應用階段。
隨著國內(nèi)外關于FRP筋和FRP筋混凝土結(jié)構理論研究、工程應用和技術標準的逐步完善,關于FRP筋混凝土結(jié)構的研究和應用成果越來越多,涉及的纖維種類也比較全面。但是,還沒有比較系統(tǒng)的有關GFRP筋混凝土結(jié)構方面的專著。本書在筆者長期從事FRP筋及其混凝土結(jié)構研究和應用成果的基礎上,進一步總結(jié)凝練而成,包括GFRP筋的原材料與物理力學性能、GFRP筋的成型與生產(chǎn)過程、GFRP筋的力學性能、GFRP筋的高溫力學性能、GFRP筋的搭接性能、GFRP筋混凝土矩形截面梁正截面承載力、GFRP筋混凝土矩形截面梁斜截面承載力、GFRP筋混凝土圓形截面梁的承載能力、GFRP筋混凝土梁的抗彎設計方法、GFRP筋混凝土柱受壓承載力、GFRP筋混凝土板的疲勞性能、GFRP筋相關標準和規(guī)程、GFRP筋的工程應用等內(nèi)容。
本書適合于從事纖維增強復合材料及其混凝土結(jié)構研究和應用的高等學校教師、科研人員、工程技術人員等參考,也可供相關專業(yè)研究生使用。感謝劉海雙、付亞男、惠慧、賀紅衛(wèi)、吳浩、張飛等在鄭州大學攻讀學位期間為本書做出的辛勤工作。
本書由趙軍、李明、張普和趙科共同完成,具體分工如下:第1章,趙科;第2章,趙科、李明、趙軍;第3章,張普、李明、趙科;第4章、第5章,趙軍;第6章,李明;第7章,趙軍;第8章,李明、張普、趙軍;第9章,張普;第10章,張普、李明;第11章,趙軍;第12章、第13章,趙軍、李明。
由于筆者學術水平有限,書中可能存在疏漏之處,敬請讀者批評指正。
趙軍
第1 章GFRP 筋的原材料與物理力學性能 1
1.1玻璃纖維與GFRP 筋原材料選擇 1
1.1.1玻璃纖維成分 1
1.1.2玻璃纖維生產(chǎn)工藝 2
1.1.3玻璃纖維浸潤劑 3
1.2基體樹脂、固化劑與GFRP 筋原材料選擇 3
1.2.1熱固性樹脂、固化劑 4
1.2.2熱塑性樹脂 6
1.3添加劑與GFRP 筋原材料選擇 7
1.4部分研究結(jié)果 8
1.4.1樹脂選用的試驗驗證 8
1.4.2GFRP 錨索專用柔性樹脂的選擇 10
1.4.3玻璃纖維選用的試驗驗證 12
1.4.4GFRP 錨桿表面涂覆抗靜電液 13
第2 章GFRP 筋的成型與生產(chǎn)過程 14
2.1成型方法 14
2.1.1拉擠成型 14
2.1.2拉擠-纏繞成型 16
2.1.3拉擠-模壓成型 17
2.2成型設備 17
2.2.1成型設備分類 17
2.2.2循環(huán)纏繞絲和纏繞-解纏兩種生產(chǎn)設備 18
2.2.3纏繞-解纏方法生產(chǎn)小直徑GFRP 筋設備 20
2.3制造過程 22
2.3.1原材料檢驗 22
2.3.2工藝及控制部分 22
2.3.3產(chǎn)品的檢驗 24
2.4產(chǎn)品種類 24
2.4.1GFRP 箍筋 24
2.4.2GFRP 托盤、GFRP 螺母 25
2.4.3端部錨固系統(tǒng) 26
2.4.4不同表面形式的GFRP 筋 27
2.4.5纏繞玻璃纖維帶GFRP 筋 29
第3 章GFRP 筋的力學性能 35
3.1FRP 筋簡介 35
3.1.1FRP 筋的特點 35
3.1.2FRP 筋的物理力學性能 36
3.2GFRP 筋原材料材性及制備 37
3.2.1原料的材性 38
3.2.2GFRP 筋的制備 38
3.3基本力學性能 39
3.3.1抗拉強度 39
3.3.2拉伸性能測試 40
3.3.3抗壓強度 47
3.3.4彎曲強度 48
3.3.5剪切強度 52
3.3.6抗扭強度 54
3.4腐蝕環(huán)境下的力學性能 56
3.4.1酸性溶液 57
3.4.2堿性溶液 57
3.4.3鹽溶液 58
第4 章GFRP 筋的高溫力學性能 59
4.1研究內(nèi)容 59
4.2高溫后GFRP 筋的拉伸性能 60
4.2.1試驗概況 60
4.2.2試驗現(xiàn)象 63
4.2.3影響因素分析 66
4.2.4高溫后GFRP 筋的各項力學性能指標計算公式 70
4.3高溫后GFRP 筋的剪切性能 71
4.3.1試驗概況 72
4.3.2試驗現(xiàn)象 73
4.3.3影響因素分析 75
第5 章GFRP 筋的搭接性能 77
5.1研究內(nèi)容 77
5.2FRP 筋與混凝土的搭接性能試驗概況 78
5.2.1試驗方法 78
5.2.2試件設計與制作 79
5.2.3加載裝置及試驗方法 84
5.3試驗現(xiàn)象描述及破壞形態(tài)分析 86
5.3.1試驗結(jié)果及破壞形態(tài) 86
5.3.2試件的破壞形態(tài)分析 87
5.4GFRP 筋搭接錨固性能分析 90
5.4.1試驗結(jié)果 90
5.4.2黏結(jié)強度影響因素分析 93
5.4.3黏結(jié)-滑移關系曲線影響因素分析 102
5.4.4搭接段應變分布曲線分析 107
5.5(搭接)黏結(jié)強度的確定和搭接錨固長度計算 110
5.5.1(搭接)黏結(jié)強度的確定 110
5.5.2搭接錨固長度計算 112
第6 章GFRP 筋混凝土矩形截面梁的正截面承載力 114
6.1試驗概況 114
6.1.1試件設計 114
6.1.2試驗設備和量測內(nèi)容 116
6.2試驗結(jié)果 117
6.2.1試件破壞形態(tài) 117
6.2.2承載力分析 118
6.2.3跨中撓度 122
6.3正截面受彎承載力的影響因素 124
6.3.1主筋類型對承載力的影響 124
6.3.2配筋率對承載力的影響 126
6.3.3GFRP 筋布置形式對承載力的影響 127
6.3.4受壓區(qū)GFRP 筋對承載力的影響 127
6.4正截面受彎承載力的計算方法 128
6.4.1計算假定 128
6.4.2不同破壞模式截面應變分布 128
6.4.3正截面承載力計算理論 128
6.4.4平衡配筋率 132
6.4.5界限相對受壓區(qū)高度ξb 133
第7 章GFRP 筋混凝土梁斜截面承載力 135
7.1研究內(nèi)容 135
7.2GFRP 箍筋鋼筋混凝土梁斜裁面受剪試驗研究 136
7.2.1試驗目的 136
7.2.2試驗方案 136
7.2.3試件測點布置 137
7.2.4試驗裝置及設備 139
7.2.5試驗加載及量測 140
7.2.6GFRP 筋材性試驗 140
7.2.7試驗現(xiàn)象 141
7.3試驗結(jié)果分析 146
7.3.1GFRP 箍筋混凝土梁的變形性能 146
7.3.2縱筋應力的變化規(guī)律 146
7.3.3箍筋的應變變化規(guī)律 148
7.3.4混凝土梁斜裂縫的發(fā)展規(guī)律 149
7.3.5梁破壞特征和受剪承載力 150
7.4FRP 箍筋鋼筋混凝土梁受剪承載力的計算 151
7.4.1FRP 箍筋混凝土梁的抗剪機理 151
7.4.2各國規(guī)范中梁受剪承載力計算公式的比較 152
7.4.3各國規(guī)范所考慮的因素比較 154
7.4.4FRP 箍筋鋼筋混凝土梁受剪承載力計算公式 155
第8 章GFRP 筋混凝土圓形截面梁的承載力 157
8.1研究內(nèi)容 157
8.2試驗概況 157
8.2.1試件尺寸與配筋 157
8.2.2加載方式 158
8.2.3破壞形態(tài) 158
8.3圓形梁的正截面受彎性能 160
8.3.1試驗結(jié)果 160
8.3.2承載力計算公式 161
8.4斜截面受剪性能 163
8.4.1試驗結(jié)果 163
8.4.2斜截面承載力分析 164
第9 章GFRP 筋混凝土梁抗彎設計方法 166
9.1基于承載能力極限狀態(tài)的GFRP 筋混凝土梁抗彎設計方法 166
9.1.1設計參數(shù) 166
9.1.2GFRP 筋矩形梁承載力和配筋設計方法 166
9.2基于正常使用極限狀態(tài)的GFRP 筋混凝土梁抗彎設計方法 168
9.2.1GFRP 筋混凝土梁的撓度計算 168
9.2.2GFRP 筋混凝土梁的裂縫寬度計算 169
9.3基于能量和變形性能的GFRP 筋混凝土梁抗彎設計方法 171
9.3.1結(jié)構安全儲備基本概念 171
9.3.2GFRP 筋混凝土梁基于能量和變形的設計方法 172
第10 章GFRP 筋混凝土柱的受壓承載力 175
10.1研究成果 175
10.1.1GFRP 筋抗壓強度 175
10.1.2GFRP 箍筋的彎折強度 176
10.1.3全FRP 筋混凝土柱的軸心受壓性能 177
10.1.4全FRP 筋混凝土柱的偏心受壓性能 178
10.2GFRP 筋混凝土柱軸心受壓承載力計算方法 178
10.3GFRP 筋混凝土柱偏心受壓承載力計算方法 180
第11 章GFRP 筋混凝土板正截面疲勞試驗研究 184
11.1研究內(nèi)容 184
11.2GFRP 筋拉伸試驗研究 185
11.2.1試驗目的 185
11.2.2GFRP 筋 185
11.2.3GFRP 筋拉伸試驗概況 185
11.3GFRP 筋混凝土板疲勞試驗概況 188
11.3.1混凝土 188
11.3.2試件的設計與制作 189
11.3.3測量內(nèi)容及測點布置 190
11.3.4GFRP 筋混凝土板試驗方案 191
11.4GFRP 筋混凝土板疲勞試驗結(jié)果分析 193
11.4.1兩種不同配筋率的靜載試件試驗結(jié)果及分析 193
11.4.2GFRP 筋混凝土板試件B1、B2 疲勞試驗結(jié)果及分析 196
11.4.3GFRP 筋混凝土板試件B3、B4 疲勞試驗結(jié)果及分析 199
11.4.4GFRP 筋混凝土板試件B5、B6 疲勞試驗結(jié)果及分析 202
11.4.5GFRP 筋混凝土板試件B8 疲勞試驗結(jié)果及分析 205
11.4.6試驗結(jié)果總結(jié) 206
11.5GFRP 筋混凝土板疲勞性能理論分析與計算 207
11.5.1GFRP 筋混凝土板的剛度計算 207
11.5.2GFRP 筋混凝土板剛度試驗結(jié)果 208
11.5.3疲勞荷載下剛度計算方法 209
11.5.4GFRP 筋混凝土板裂縫寬度的計算 210
11.5.5GFRP 筋混凝土板疲勞壽命分析 212
第12 章GFRP 筋相關標準和規(guī)程 214
12.1土木工程用玻璃纖維增強筋(JG/T 406—2013) 214
12.2盾構可切削混凝土配筋技術規(guī)程(GJJ/T 192—2012) 215
12.3纖維增強復合材料筋基本力學性能試驗方法(GB/T 30022—2013) 216
12.4玻璃纖維增強復合材料筋的高溫耐堿性試驗方法 217
12.5水泥混凝土用碳(玻璃)纖維增強復合材料筋規(guī)程(ACI 440.6M—08) 218
12.6其他相關標準 219
第13 章工程應用 220
13.1“路面工程”應用實例:GFRP 筋連續(xù)配筋混凝土路面 220
13.1.1工程概況 220
13.1.2GFRP 筋的應用 221
13.1.3所用GFRP 筋的力學性能 223
13.1.4GFRP 筋的應用效果 223
13.2“水工混凝土結(jié)構”應用實例: 港區(qū)碼頭工程和護岸工程 224
13.2.1工程概況 224
13.2.2GFRP 筋的應用 224
13.2.3所用GFRP 筋的力學性能 225
13.2.4GFRP 筋的應用效果 225
13.3“地鐵工程”應用實例:盾構可切削混凝土結(jié)構工程 226
13.3.1工程概況 226
13.3.2GFRP 筋在地鐵工程中的應用 226
13.4“邊坡支護工程”應用實例:高等級公路邊坡GFRP 錨桿加固技術 229
13.4.1工程概況 229
13.4.2GFRP 錨桿在道路工程中的應用 230
13.4.3質(zhì)量檢測 231
13.5“隧道工程”應用實例:GFRP 筋錨桿在隧道支護結(jié)構中的應用 233
13.5.1工程概況 233
13.5.2GFRP 筋錨桿的應用 233
13.5.3GFRP 筋力學測試結(jié)果 234
13.5.4GFRP 筋錨桿的應用效果 235
參考文獻 236