GFRP變形筋拉伸試件套筒膠結型端部加強段應力場分析
1前言
為解決海洋、碼頭、水利水電等各類水工結構工程，橋梁、路面工程和化工廠房等中的鋼筋腐蝕問題和錨固工程鋼錨桿的腐蝕問題以及防磁工程的需要，國內外圍繞FRP筋（錨桿）的制備、工程應用、規范標準的制定等已開展了系列的研究工作。但總體看，有關的應用基礎研究、工程應用技術研究還有待深人。
“十一五”期間交通部圍繞離岸深水港航工程、跨江跨海通道工程等建設中存在的結構耐久性問題，基于FRP筋與傳統鋼筋相比具備以下三大優勢：①抗拉強度高；②耐腐蝕；③輕質。立項開展FRP筋混凝土結構在港口工程中的應用研究具有深遠的意義。FRP筋非常適用于大型海港工程建設，不僅可較徹底地解決抗鹽類腐蝕問題，還可有效減輕結構自重，因此采用纖維增強復合材料筋取代傳統鋼筋混凝土結構中的鋼筋（或鋼絞線），前景廣闊。
抗拉強度是FRP筋材應用中必不可少的性能指標，而對于其拉伸強度的測試，目前國內外尚沒有一個比較統一的標準，相關文獻也比較少。國標GB/T 13096. 1一中規定的試驗方法〔1〕顯然并不能真實測試FRP筋材的抗拉強度?，F在普遍采用的試驗方法是美國標準ACI440. 3R-04，但其并沒有給出具體的試件制備的細節要求，通常的做法是在試件的端部用膠結型套筒加強，在鋼套筒內或采用膨脹水泥，或采用結構膠等。
本文采用曉士達復合材料建材（廣東）有限公司提供的GFRP筋材拉伸試件進行了試驗研究，發現目前端部采用的這種膠結型套筒加強的拉伸試件尚存在缺陷，主要是大部分試件的破壞起始點均發生在套筒內，為此本文對端部套筒加強段進行了數值分析。發現試驗觀察到的這種破壞現象有其必然性。
2試驗
2.1試驗方法
參照美標AC1440. 3 R-04中相應試驗方法〔2〕。
2.2試件
本文試件由Hughes Brothers Inc., USA在的分公司曉士達建材（廣東）有限公司提供，見圖1。
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2.3試驗裝置
采用日產島津AG-IS電子萬能試驗機進行測試，見圖2。
加載速率為2mm/min，數據采集頻率為20Hz，應變測量系采用雙鏡頭非接觸式應變儀。
2.4試驗結果及分析
表2給出的是試件測試結果。
圖3,4給出的是典型的p-s曲線即載荷一位移（試驗機橫梁位移）曲線，p-s曲線呈現雙折線特征，折線的位置發生在載荷達到50一60％的極限載荷，位移達到30一40％的破壞位移處。
圖5,6給出的是典型的應力一應變曲線，。一。曲線則呈現良好的直線特征。圖中無規律的曲線部分是由于筋材的破壞而引起攝像頭捕捉目標在試件的破壞過程中松動、脫落所致。
p-s曲線呈現雙折線特征，σ-ε。則呈現良好的直線特征，這說明筋材本身具有良好的線性，出現折線主要是由于錨固加強段的影響而引起。[-page-]
試驗中發現當載荷達到15％極限載荷時，微小的“僻僻啪啪”的樹脂裂開或剝離的聲音便能聽到，隨著載荷的進一步加大，這種聲音越發明顯直至破壞。
試件破壞多起始于試件一端的套筒內，終表現為GFRP筋材的斷裂，斷裂是突然發生的，屬于脆性破壞。
正如圖7所示，試件斷裂起始位置大多出現在鋼套筒的根部。
3數值分析
3.1建模
為了解釋大多數試件的破壞起始點均發生于鋼套筒根部的這一現象，本文用大型通用有限元分析軟件ANISYS對FRP筋材拉伸試驗進行了數值仿真分析。
根據問題的對稱性，取1/4試件作為研究對象。GFRP筋材按正交各向異性材料分析，膨脹水泥和鋼套筒則均按各向同性材料處理，單元選取SOL-IDE45實體單元。分別建立筋材實體、膨脹水泥實體和鋼套筒實體，然后依次劃分網格，定義彼此的接觸屬性，施加對稱約束條件、邊界條件和載荷。模擬試驗機夾具夾持試驗件鋼套筒的情況，根據契緊塊的承力特點，在鋼套筒的夾持區域同時施加一定比例的法向力（233 MPa）和切向力（11781N，該力相當于600 MPa的筋材的縱向應力），以分析試驗中鋼套筒加強段區域內應力場的分布情況。表3為建模的基本數據，圖8所示為本文建立的數值分析模型。
3.2數值分析結果
對以上模型進行求解并進行后處理，可得到筋材縱向應力分布圖。由圖9,10可以清楚看到，在鋼套筒上端的根部區域即標有MX字樣處的應力值是大的，其縱向應力為674MPa?？梢娞淄哺康膽鞋F象很明顯，明顯大于桿體施加的應力600 MPa。
這樣的分析結果與試驗的結果是吻合的，從理論上解釋了試件的斷裂起始點大多位于套筒加強段根部的原因。
4結論
通過本試驗，可以得到諸如P-s曲線呈現雙折線特征、Q-E曲線呈現良好的直線特征以及多數試件的破壞起始點發生在套筒加強段內等GFPR筋材拉伸試件的破壞規律，套筒膠結型試件能夠確定FRP筋材的彈性模量，但事實上并沒有完全真實地反映筋材的基本的力學性能一拉伸強度。如何改進，以便達到比較良好的效果，尚在本課題的進一步研究之中，希望本文的研究能對相關規范的制定盡
到一些綿薄之力。
