碳⁃玻璃纤维增强复合材料混杂杆体的锚固性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.003

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (10): 15-23.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.003

碳⁃玻璃纤维增强复合材料混杂杆体的锚固性能研究

沈海娟¹, 李承高²^,³, 郭瑞²^,³, 辛美音¹, 黄翔宇¹, 张中慧⁴, 咸贵军²^,³()

^1.中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540
^2.哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨 150090
^3.哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室，哈尔滨 150090
^4.中国石油化工集团公司胜利油田分公司，山东东营，257100

收稿日期:2023-04-17 出版日期:2023-10-26 发布日期:2023-10-23
通讯作者: 咸贵军（1972-），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为土木工程纤维增强树脂复合材料与结构，gjxian@hit.edu.cn
E-mail:gjxian@hit.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFC3801800);中央高校基本科研业务费专项资金(HIT.OCEF.2022032)

Study on anchoring performance of carbon⁃glass⁃fiber⁃reinforced polymer composite rods

SHEN Haijuan¹, LI Chenggao²^,³, GUO Rui²^,³, XIN Meiyin¹, HUANG Xiangyu¹, ZHANG Zhonghui⁴, XIAN Guijun²^,³()

^1.Sinopec Shanghai Petrochemical Co，Ltd，Shanghai 200540，China
^2.Key Lab of Structural Dynamic Behavior and Control，Ministry of Education，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China
^3.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China
^4.Shengli Oilfield Company，China Petroleum & Chemical Corporation （SINOPEC），Dongying 257100，China

Received:2023-04-17 Online:2023-10-26 Published:2023-10-23
Contact: XIAN Guijun E-mail:gjxian@hit.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对碳/玻璃纤维增强复合材料锚固失效问题，研究了3种典型锚固系统的应力分布及锚固机理。研究发现，碳纤维层锚固系统由于界面脱黏及截面削弱导致锚固承载力较低；力学锚固系统易对杆体产生初始挤压损伤并形成应力集中；黏结型锚固系统由于杆体/黏结剂界面黏结强度较低而产生脱黏失效。针对上述3种锚固系统存在的截面削弱、应力集中及界面脱黏等问题，提出了考虑楔块挤压与树脂黏结的楔块⁃黏结复合型锚固系统，有限元模拟与拉伸试验结果表明，楔块⁃黏结复合型锚固系统锚具内应力分布均匀，杆体发生爆裂破坏，锚具内未出现杆体滑移，锚固系统极限锚固承载力为360.1 kN，有效地解决了复合材料混杂杆体的锚固难题。

关键词: 碳/玻璃纤维混杂, 复合材料杆体, 锚固性能, 有限元模拟, 拉伸测试

Abstract:

In this paper， the stress distribution and anchoring mechanism of three typical anchoring systems were studied for the anchoring failure of carbon/glass fiber reinforced polymer composite rods. The results indicated that the anchoring capacity of the carbon fiber layer anchoring system was low due to the interfacial debonding and cross⁃section weakening. The mechanical anchoring system easily generated an initial compressive damage and stress concentration for the rod. The adhesive type anchoring system produced a debonding failure due to the low bonding strength of the rod⁃adhesive interface. Aiming at the problems of section weakening， the stress concentration and interfacial debonding existing in the above three anchoring systems， this study proposed a wedge⁃bonded compound anchoring system considering of the wedge extrusion and resin bonding. The results from the finite element simulation and tensile test indicated that the stress distribution in the anchor of the wedge⁃bond compound anchor system was uniform， the rod underwent a burst failure， and there was no slippage in the anchor. The ultimate anchor bearing capacity of the anchor system was 360.1 kN. This effectively solves the anchor failure problem in the composite rods.

Key words: carbon?glass fiber hybrid, composite rod, anchorage performance, finite element simulation, tensile test

中图分类号:

TQ327

沈海娟, 李承高, 郭瑞, 辛美音, 黄翔宇, 张中慧, 咸贵军. 碳⁃玻璃纤维增强复合材料混杂杆体的锚固性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 15-23.

SHEN Haijuan, LI Chenggao, GUO Rui, XIN Meiyin, HUANG Xiangyu, ZHANG Zhonghui, XIAN Guijun. Study on anchoring performance of carbon⁃glass⁃fiber⁃reinforced polymer composite rods[J]. China Plastics, 2023, 37(10): 15-23.

图/表 21

图1 碳/玻璃纤维混杂杆体截面示意图

Fig.1 Section of the carbon/glass fiber reinforced hybrid rod

图2 碳/玻璃纤维混杂杆短梁剪切试样与测试装置

Fig.2 Short beam shear sample of carbon/glass fiber reinforced hybrid rod and test device

图3 碳/玻璃纤维混杂杆体界面剪切测试装置

Fig.3 Interface shear strength test device for the carbon/glass fiber reinforced hybrid rod

图4 碳/玻璃纤维混杂杆体的剪切应力⁃位移曲线

Fig.4 Shear stress⁃displacement curve of the carbon/glass fiber reinforced hybrid rod

图5 碳/玻璃纤维混杂杆体短梁剪切破坏模式

Fig.5 Short beam shear failure mode of the carbon/glass fiber reinforced hybrid rod

图6 碳/玻璃纤维混杂杆界面的剪切破坏模式

Fig.6 Interface shear failure mode of the carbon/glass fiber reinforced hybrid rod

图7 碳纤维层黏结锚固系统示意图

Fig.7 Schematic diagram of bonding⁃type anchorage system for the carbon fiber layer

图8 碳纤维层黏结锚固系统的锚固过程及破坏方式

Fig.8 Interface shear failure mode of the carbon/glass fiber reinforced hybrid rod

图9 脱离层皮/芯界面的微观形貌

Fig.9 Microscopic morphology of shell/core interface at the abscission layer

图10 碳纤维层楔形锚固系统示意图

Fig.10 Schematic diagram of wedge⁃type anchorage system for the carbon fiber layer

图11 碳纤维层楔形锚固系统的破坏模式

Fig.11 Failure mode of wedge⁃type anchorage system for the carbon fiber layer

图12 螺栓杆锚固系统有限元模型

Fig.12 Finite element model of the bolt rod anchorage system

图13 螺栓杆锚固系统的应力云图

Fig.13 Colored stress patterns of the bolt rod anchorage system

图14 螺栓杆锚具系统的破坏方式

Fig.14 Failure mode of the bolt rod anchorage system

构件名称	弹性模量E1/GPa	泊松比	外径厚度/mm	材料特性
芯层CFRP	170	0.15	12	弹性
皮层GFRP	72	0.20	7	弹性
填充树脂	3.2	0.35	16（直筒）	弹性
填充树脂	3.2	0.35	6~26（梯度）	弹性
锚具钢管	206	0.30	15	弹性

表1 直筒型黏结锚固系统的有限元模拟参数

Tab.1 Finite element parameters of straight bond⁃type anchoring system

图15 直筒黏结型锚固系统的应力分布

Fig.15 Stress distribution of the straight bond⁃type anchoring system

图16 不同锚固系统的破坏机理图

Fig.16 Failure mechanism diagrams of different anchoring systems

图17 楔块⁃黏结复合型锚固系统的设计图

Fig.17 Design sketch of the wedge⁃bond compound anchoring system

图18 楔块⁃黏结复合型锚固系统的应力分布

Fig.18 Stress distribution of the wedge⁃bond compound anchoring system

样品编号	极限荷载/kN	拉伸强度/GPa	破坏模式
1^#	371.3	1.31	爆裂
2^#	350.5	1.24	爆裂
3^#	358.5	1.27	爆裂
平均值	360.1	1.27	-
标准差	10.5	0.04	-

表 2 碳/玻璃纤维混杂杆的拉伸测试结果

Tab.2 Tensile test results of carbon/glass fiber reinforced hybrid rod

图19 楔块⁃黏结复合型锚固系统的拉伸破坏模式

Fig.19 Tensile failure mode of the wedge⁃bond compound anchoring system

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Study on anchoring performance of carbon⁃glass⁃fiber⁃reinforced polymer composite rods

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