土木外文文献翻译
玻璃纤维钢筋拉伸特征
基建工程研究中心,密苏里大学罗拉分校,224工程研究实验室,1870年矿工圈。
Rolla,654090710,美国。
数学与统计系,密苏里大学罗拉分校,美国。
收到于2003年8月20日,接受于2004年5月12日。
2004年8月5日可在线使用。
摘要
关于结构师所要求的设计方案和钢筋制造商所需要的质量控制/优化目的要求,对于了解混凝土加固的纤维增强复合材料(FRP)的特征是必要的。关于测试协议及一个重复实验结果的本文报告旨在表明在玻璃钢筋的抗拉强度中产生一个有效统计估计的分布。对四个选定的具有相同的直径的玻璃钢(GFRP)进行了测试。总的来说,对来自同一制造商的32条玻璃钢进行了检测。代替一种聚合树脂,由膨胀胶凝灌浆钢管用于最终限位。进行一项随机完整的块式设计试验目的是获得一项统计分析的数据。使用商用数据分析软件程序来分析这个结果。该项目研究表明本文所提出的测试流程为拉伸特性提供了可靠数据并且证实了高斯分布作为实验可以代表的拉伸强度玻璃钢筋。
1、介绍
复合材料出现了,它是一种有前途替代及并且在混凝土结构中有钢筋引起的不足的材料。
工程师对纤维增强复合材料(FRP)优越的性能很感兴趣,例如高强度与重量的比值、腐蚀和抗疲劳性,三种不同纤维(玻璃纤维,碳纤维和芳纶)为基础的玻璃钢筋系统的特性范围是相对于传统的钢筋。另外还有在新建筑中使用,现场和实验室调查结果显示纤维塑料钢筋的效果。作为一个例子,由近地表安装玻璃钢筋的使用组成的一个强化方法已经成为混凝土及砌体结构的方案。
为了广泛接受,并在建设中实施,研究纤维塑料筋的力学性能的特征是必要的。特别是,它必须界定均值和纤维塑料钢筋混凝土拉伸强度分布,工程师可以
使用设计目的和复合材料来检测质量控制和优化目的。各种因素影响玻璃钢的抗拉强度。最重要的因素是纤维类型和纤维体积分数,它定义作为光纤与在单位长度杆体积的比值。钢筋的制造工艺,质量控制和热固性树脂固化速度也会影响抗拉强度。本文对拉伸特征和四个玻璃钢的测试结果建立了测试协议。对每种类型的八个标本进行了测试,以产生有效的统计平均值和拉伸强度分布。完全地,来自相同制造商的32个玻璃钢进行了调查。该玻璃钢用灌有膨胀水泥的钢管锚固。
标本编写了八四组,八组的每一数值代表着每一个栏的类型。这些东西在一个完全随机区组的设计中充当一个'块',从而调整环境因素中的任何趋势或测试系统跨越时间的条件。每组的玻璃钢都是随机准备的,
并且测试是在相同顺序进行的。通过试验获得的数据是将统计数据用于软件程序分析出来的。
表1 玻璃纤维材料和钢筋的对比
2.材料性能
2.1 玻璃纤维钢筋
本次研究的玻璃纤维钢筋是生产程序中使用的由使用E-玻璃纤维和热塑性树脂拉挤成型的。通过使用热塑性树脂制造的钢筋展现出基本的强度和模量,类似于载有同类型纤维的同等数额的热固性材料。抗拉强度随着由于剪滞效应的钢筋截面尺寸引起的变化而变化,因此,拉伸强度应参照依据钢筋大小。模量受钢筋截面尺寸的影响不是很明显,而是受到所包含纤维等级的影响。以55%的E-玻璃销售量生产的钢筋是由从40到47 GPa的拉伸模量衡量。
采用热塑性树脂生产的钢筋在它们性能成型时是独一无二的。热塑性组合在它离开拉挤产品制造线后才允许产品进行弯曲。此外,热塑性为基础的产品应该是由添加的两种元素融化在一起而焊接成的。这可以通过这些方法实现,例如,加热,或用超声波或无线电频率技术。热焊接的能力可能实现轻量级钢筋网格的制造,这能减少对项目加强生产安置费用。关于一个热固性为基础的产品的潜在关注是其较低的抗撞击损坏。建筑地点呈现出这样的环境,在那由于处理和安置的实际影响是家常便饭的事。冲击韧性和以热塑性为基础的破坏允许值明显高于热固性材料。
这个研究项目中玻璃纤维钢之间使用类型唯一的区别是涂层。所有钢筋均为#4玻璃纤维钢(1 /2英寸,直径12.5毫米),并且有相同的组成材料,形状和
纤维体积分数,由不同的颜色导致的不同的涂料。
图1
图2
所有的四种钢筋类型是由在刚性热塑性聚氨酯矩阵中的无碱玻璃纤维组成的。如前所述,在所有标本间唯一的区别是涂料,这是抵抗碱攻击的关键保护原件。类型1在工程热塑料聚氨酯矩阵中有无碱玻璃纤维;类型2在ETPU中有碳纤维;类型3有一个纯ETPU矩阵;类型4在ETPU中有硅灰石(CaSiO3)。
初步试验表明,超过一个允许的长度,直接拉伸钢筋将会导致涂层从核心分离。这可以通过延长锚固长度或创建一个更合适的联锁机制来避免。锚固系统的选择是基于以前的经验,初级进制试验表明这种方法提供了足够的锚地。锚由膨胀水泥砂浆组成,如2.2节所述,和线程的玻璃钢筋。螺纹的钢筋是8英寸(图2)。线程的深度被选定为0.12英寸(3毫米),以允许与芯材接触。
2.2样品制备
对齐和锚碇具有重大的重要性,因为它们可能导致意外的失败模式。锚固系统的膨胀水泥灌浆与一个装满钢管组成的用于提供给钢筋封闭的压力。在前人研究的和初步测量的基础上,已经明确知道305毫米的锚对正常的抵制是足够的。提供加2La的40dB的样本总长度是由未发表的公会推荐的,其中db是棒的名义直径和La是锚固长度。按照制造商提供的数据,在72小时之后,经过充分膨胀,水料比用该小于0.34。在这个试验中,经常使用0.29的比率。开发的最大压力也是一个管道直径的函数(图三)。所用的机械和物理性能管道如下:标称管径代号:附表1 80年代,1.9英寸(48.26毫米)外径,0.2英寸(5毫米)公称壁厚,30 ksi(205兆帕)屈服应力。
图3
塑料瓶盖是用来关闭管道两端的,并保持在管道中心的棒。为此,略大于棒的孔是在瓶盖中心钻。上限分别插入在其中一个管道底部,这个洞是用一块胶带封闭,以防止漏水灌浆。在此之后,棒的端部是滑行通过孔到达胶带上。木模板是用来保持棒和管道的竖直排列。管道在这个位置充满了膨胀水泥浆。管道的另一端是于另一插入棒的钻帽封闭在一起。当它第一次准备好时,膨胀灌浆是液态的,它需要24小时的强化以至于这个样本能打开并且第二个锚能准备好。在拉 伸试验开始之前,移动下塑料瓶盖。
2.3样本组
如图一所示,四种类型玻璃钢棒进行了评估。对于每种类型,八个样本进行了准备和测试。要测试的样本分为8组,其中代表着文康设计的模块,并且每块包含着每个样本模型。各组内的四中钢棒测试是连续进行的,但是是随机顺序。由于在一组中的所有四个棒在一段短时间(1小时)进行测试,假设在一组内的测试条件是类似的。而且,对于每一组,取决于在每组内棒之间的灌浆差异从而消除任何变化,应该准备好单一的水泥灌浆。这个实验过程和文康设计是一样的,并且把这些组充当成块。这封闭逐渐减少的变化,取决于超过这段时间内在测试条件中的改变。
2.4 拉伸试验
这些测试是在相同顺序下进行的,这些样本准备好以至于在准备和测试之间的时间对于所有棒是相同的。一个普通的试验机器用于测试。当应用荷载之前端部没有固定好时样本的上端固定在机器顶部的把手上。一个开槽的钢板放在锚底部和十字头中间的底部。当加载这个样本时,这钢板就充当底部锚(图四)。在一个恒定的速度下施加荷载,直到样本破坏。
图4
2.5 测试结果和数据分析
所有样本正如预期的突然破坏。图五显示对于每个棒类型代表性样本的故障模式。所有失败开始于分裂(图六),结束于棒的破裂。每栏分成不同的数量和构件尺寸。这也可能与涂层的类型有关。
除了汇总统计,数据分析采用方差分析(ANOVA)技术分析,以确定在类型(表二)之间的显著差异。按表三所提供的确定标准差和平均值。个人测试的结果公布在表四并且绘制在图7。所获得的数据使用SAS进行分析的,它是一种统计数据分析软件程序。
分析表明,在测试情况下,从一个块到另一个是没有明显差异的(图5)。虽然3型号钢筋强度是903 MPa 的平均值(131 ksi),其他类型有较高的强度,从979(142 ksi)至1014 MPa(147 ksi) (表2)。试验结果表明 类型1,2和
4同时展示了相似的结果。
图5 失败的模型
图6 失败的类型
1模型
表2 荷载与强度变化分析
第三类证明平均拉伸长度与其他三个有明显的不同。这种不同可能涉及到涂层的类型,是这项研究中所考虑的唯一的变量。第三类钢棒从长远的研究可能被淘汰,因为低平均强度。通过使用相同的软件程序来执行正态性检测。进行了Shapiro–Wilk,,Cramer–von Misses和Kolmogorov- Smirnow试验,这三种类型显示P值大于0.05,这表明结果有一个正常或近似的正态分布(表6).估计符合测试数据的正态概率函数也绘制在图8中。这个数据显示高斯分布代表着测试棒的拉伸强度。所有类型的整体平均强度确定为990MPa(142ksi)。为了估计一个样本最大错误。在不同等级通过使用公式以下计算出所需要重复次数。
zpnd2 2
注解
n 测试数量
d 最大可接受误差估计平均强度
Zp 100!PTH的百分点标准正态分布
S 标准差 来自于所研究的测试的估计值是45 MPa(6.5 ksi)
例如,估计有95%的置信水平的平均强度误差在5ksi范围内,至少五个钢筋的样本量是必须的。为了取得相同幅度的误差99%的置信水平,至少需要九个钢筋。需要在各种等级获得1或5 ksi误差,测试运行的最低数量在表7中提到。对于测试的24个钢筋,5 ksi的误差能转换为大约0.5%的平均强度的误差。如果这样的错误是在估计99%的置信平均强度中是可以接受的,然后建议测试至少九个钢筋的样本。
表
3 各种类型的标准差和平均值强度
图7
图8 拉伸强度分布
表
5 块强度
表6 正常测试结果
表7
2.6 结论
基于本研究的测试结果,得出下列结论。
测试结果和三个正态性试验表明,高斯分布表示,测试钢棒的拉伸强度作为国际机场理事会440.1R-01的假设。
对于特别测试的样本涂层可能对玻璃钢棒的拉伸强度有影响。使用填料的涂层似乎能略微增加拉伸强度。
方差分析表明,这三个玻璃纤维类型,1,2和4有类似拉伸强度。
纤维的分裂是测试玻璃钢棒控制故障检测模式。
美国国家科学基金会工业/大学合作研究中心的建设和桥梁修复复合材料(RB2C)和陶氏化学深表感谢获得财政支持这项研究。笔者感谢奥斯曼博士对这项研究工作的贡献。
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