MFRP锚杆拉拔水工试验方案有限元分析评估_刘志刚.pdf

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1、第３４卷第１期力学季刊Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．１２０１３年３月ＣＨＩＮＥＳＥＱＵＡＲＴＥＲＬＹＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＳＭａｒｃｈ２０１３ＭＦＲＰ锚杆拉拔水工试验方案有限元分析评估刘志刚，郑百林，胡兴健（同济大学应用力学研究所，上海２０００９２）摘要：ＦＲＰ包裹钢筋（ＭＦＲＰ）锚杆是在ＦＲＰ锚杆的基础上，增加钢筋层和功能梯度层达到综合ＦＲＰ锚杆和钢筋锚杆优点的目的。在界面力学模型基础上，建立三维锚杆拉拔试验有限元模型，通过设置接触单元对锚杆在混凝土中拉拔过程进行模拟。首先对钢锚杆进行了拉拔试验的测试，证明本文方法的可行性。然后将方法运用到

2、ＦＲＰ包裹钢筋（ＭＦＲＰ）锚杆上，通过不同直径和不同锚固长度的锚杆进行测试，得到一些可供参考的结论，评估ＭＦＲＰ拉拔水工试验的可行性。关键词：数值拉拔试验；功能梯度层；黏结单元；ＭＦＲＰ中图分类号：ＴＵ４７０文献标志码：Ａ文章编号：０２５４－００５３（２０１３）０１－８１－７ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＰｕｌｌ－ＯｕｔＨｙｄｒａｕｌｉｃＴｅｓｔｏｆＦＲＰＷｒａｐｐｅｄＲｅｂａｒＬＩＵＺｈｉ－ｇａｎｇ，ＺＨＥＮＧＢａｉ－ｌｉｎ，ＨＵＸｉｎｇ－ｊｉａｎ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉ

3、ｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＭＦＲＰ（ＭｅｔａｌＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）ａｎｃｈｏｒｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｔｅｅｌａｎｃｈｏｒａｎｄＦＲＰａｎｃｈｏｒ．Ａ３Ｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｗａｓｂｕｉｌｔｆｏｒａｎｃｈｏｒｐｕｌｌ－ｏｕｔｔｅｓｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｍｏｄｅｌ，ａｎｄａｓｅｒｉｅｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇａｎｃｈｏｒａｎｄＦＲＰａｎｃ

4、ｈｏｒｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｍｏｄｅｌａｎｄｄａｍａｇｅｃｒｉｔｅｒｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｗａｓｃｈｅｃｋｅｄｂｙｃｏｎｔｒａｓｔｐｈｙｓｉｃｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ＴｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｗｉｌｌｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅＦＲＰｗｒａｐｐｅｄｒｅ－ｂａｒ，ａｎｄｒｅａｃｈｅｄｓｏｍｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌｐｕｌｌ－ｏｕｔｅｘ

5、ｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｇｒａｄｉｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ；ｂｏｎｄｃｅｌｌ；ＭＦＲＰ岩石和土壤的锚固是一种把锚杆埋入地层进行预加应力的施工技术，在这一过程中，地层和岩石得到［１－２］加固并增加了其强度，并且其他力学性能也会得到改善。在过去的几十年间，复合材料以其优良的工程力学性质在航空航天、船舶和汽车工业中得到广泛应用，相比较与传统的金属材料，改进的复合材料具有很高的比强度和比刚度，同时具有密度和热敏系数低，疲劳耐久性能好等优点。锚固工程中也意识到了复合材料的潜力，最近的十几年中，ＦＲＰ－ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃ

6、ｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ（纤维增强复合材料）材料特别是ＦＲＰ锚［３］杆在锚固工程中得到了广泛的应用，ＦＲＰ锚杆是以ＦＲＰ筋为杆体，与专用锚头、锚尾等部分配合而成的锚杆结构。但由于ＦＲＰ本身的脆性决定了整体结构的延展性尚不能达到钢筋混凝土性能，因此出现了［４］ＦＲＰ包覆筋增强混凝土的设计概念。图１表示单根包覆筋的概念模型。ＦＲＰ包覆筋（简称ＭＦＲＰ）锚杆将兼顾ＦＲＰ锚杆和钢筋锚杆的优势。它具有自重轻、延性高和防锈蚀等优点，但其应力状态远比ＦＲＰ锚杆和钢筋锚杆复杂，因此对ＭＦＲＰ锚杆力学性能的分析是本文的主要研究内容。锚杆在岩石中的受力

7、是一个很复杂的过程，是要受到岩石、黏结材料、锚杆等结构的共同作用。收稿日期：２０１２－０９－１０基金项目：国家自然科基金资助项目（４１０７２２０７）作者简介：刘志刚（１９８７－），汉，男，安徽人，硕士研究生．研究方向：固体力学和有限元．（Ｅ－ｍａｉｌ）ｂａｒｋｌｉｕ８７＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ通信作者：郑百林（１９６６－），汉，男，陕西人，教授，博士．研究方向：复合材料与数值模拟．（Ｅ－ｍａｉｌ）ｂｌｚｈｅｎｇ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ８２力学季刊第３４卷锚杆从开始受力到接近或达到拉拔极限的过程，是一个由线弹性阶段到岩石或黏结

8、材料进入非线性的破坏阶段的过［５］程。本文主要将普通锚杆的拉拔试验进行改进后运用到ＭＦＲＰ锚杆上，对其在拉拔试验中的力学性能进行有限元分析得到合理的ＭＦＲＰ拉拔试验模型，为物理试验奠定基础。图１单根包覆筋１黏结锚固基本形式Ｆｉｇ．１Ｓｉｎｇｌｅ－ｗｒａｐｐｅｄ－