论文标题：Bearing Capacity and Mechanical Behavior of an Innovative Bamboo Fiber-Reinforced Polymer Tendon with U-Head (新型U型锚竹纤维增强筋的承载力和力学行为研究)

期刊：Polymers

作者：Xiang Li, Shuaiyu Zhao, Xinmiao Meng and Xiaodong Ji

发表时间：18 November 2021

DOI：10.3390/polym13223976

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通讯作者介绍

冀晓东 教授

北京林业大学教授

冀晓东，北京林业大学教授、博士生导师、教学名师，土木工程系主任。兼任全国农林院校土木工程学科专业联盟副理事长，北京生态修复学会理事，中国南方水土保持研究会理事。主要研究领域为工程材料、结构风工程、边坡生态防护工程。主持参与多项省部、国家级研究课题，发表学术论文70余篇，其中SCI/EI检索30余篇。

摘要

本文提出了一种新型U型锚竹纤维增强筋 (BFRP筋)，并采用了薄壳及厚壳两种理论模型来分析其抗拉能力及力学行为，最后用试验进行了验证。结果表明，BFRP筋在应力分布和极限载荷方面的理论分析结果与试验结果较为吻合。本研究的目的在于充分发挥竹纤维的优势以制备抗拉能力较强的BFRP筋用于混凝土结构的锚固。

材料制备

BFRP筋试样的尺寸及制造工艺如图1所示。最后一步制作过程是绕杆体部分缠绕包裹GFRP纤维布3次，在此过程中，环氧树脂被用作粘合剂。在后续研究中，GFRP纤维布可以对包括U型锚头在内的整个BFRP筋使用，这样更有利于提高它的加固性能。

图1. (a) BFRP筋试样尺寸；(b) 竹篾制造过程；(c) BFRP筋制造过程。

理论分析

分别采用了薄壳及厚壳两种模型来进行理论分析。

薄壳模型

BFRP筋的力学行为主要研究其杆体和U型锚头。本章将根据弹性理论对这两种结构进行分析。对于由斜坡段和圆弧段组成的U型锚头，其力学模型如图2a所示。假设Tr是杆的张力，θ为杆体和斜坡段之间的角度。由于U型锚头的厚度与钢销的直径相比起来非常小，故U型锚头结构可以简化为薄壳模型 (即截面内应力分布均匀)。

图2. (a) U型锚头力学模型；(b) 圆弧段微元体应力状态。

通过计算和模拟不同摩擦系数下圆弧段的张力分布，可以得到如图3所示的结果：

图3. 不同摩擦系数下圆弧段张力分布。

如图4所示，当圆弧-钢销界面无摩擦时，圆弧段的张力为定值 (即分支的张力 (Ts))。而当界面粗糙时，张力从起点到顶点沿弧线逐渐减小，且在顶点处取得最小值，并且张力下降的速率随着摩擦系数的增加而进一步增加。另外可以看出，摩擦系数对张力下降率的影响随着摩擦系数的增加而减弱，可以证明，这种影响会逐渐收敛于零。对于p(φ)，因它的值等于同一点张力的1/r倍，故径向压力分布的规律与图3所示的分布规律完全一致。如果考虑弹性变形，钢销会在径向压力的作用下产生向内的变形，变成一个如图4a所示的椭圆状。相应地，U型锚头的力学模型也变化成如图4b所示的模型。

图4. (a) U型锚头和钢销在拉力下产生的变形和位移示意；(b) 考虑变形的U型锚头力学模型。

通过薄壳结构模型可以得出以下结论，当BFRP筋受到单向拉力时，最危险的截面位于斜坡段。另外，圆弧的径向压力取决于是否考虑变形：考虑变形时，径向压力随张力线性变化；而不考虑变形时，它不仅受到张力的影响，还与指定点曲率有关。

厚壳模型

图5为厚壳模型的模型图。

图5. 厚壳模型。

在前两节中，引入了圆弧的薄壳模型和厚壳模型来分析BFRP筋的应力分布和极限载荷。厚壳模型看似由于考虑了厚度而比薄壳模型更精确，但是，却忽略了界面间的摩擦。以本研究制作的BFRP筋试件尺寸为例，作者利用上述两个理论模型来计算BFRP筋的抗拉承载力。U型锚头的厚度 (t) 和宽度 (w) 分别为6.3和15 mm；弧的内半径 (ri) 和外半径 (ro) 分别为30和36.3 mm；斜坡的倾角 (θ) 为17°。并且，作者假设BFRP筋为各向同性材料，抗拉强度 (St) 为100 MPa。通过计算结果可以看出，基于厚壳模型的理论解相对较低。这两种模型下的抗拉承载力的理论解被用于后续与试验结果对照以验证其准确性。

拉伸试验

根据对称性，八个应变片如图6a所示被贴在BFRP筋的表面。

图6. (a) 八个应变片在BFRP筋试样表面的具体位置；(b) 拉伸试验的整个试验装置。

根据第2节所述的制作方法，作者制作了9个BFRP筋试件，相关参数如表1所示。

表1. 九个试样的拉伸试验总结。

标本C1表示用于制作第一个标本的竹篾取材位置与竹青皮接近，而“F”则表示远离竹青皮。特别的是，试样C2使用氰基丙烯酸乙酯粘合剂代替环氧树脂粘合剂缠绕GFRP纤维布，而试样A4则通过控制润滑剂厚度增加了加载端BFRP筋锚头内侧与钢销的界面摩擦。

拉伸试验结果

图7a可以看出，施加载荷与破坏前位移之间的线性关系十分显著，且最后破坏为脆性断裂。图7b表明在拉伸试验期间A批次的6个BFRP筋试样的施加载荷和位移关系，试样的拉伸力学行为也可以被描述为线性和脆性。

图7. (a) C批次的3个BFRP筋试件的荷载位移曲线；(b) A批次的6个BFRP筋试件的荷载位移曲线。

作者将9个BFRP筋试件的荷载位移曲线如图8所示放在一起，以进一步分析。分析表明，C批次的抗拉能力 (即极限载荷) 明显高于A批次。此外，C批次还表现出较高的弹性，但在延展性方面较于A批次处于劣势。在拉伸试验期间，在试件C2、A6和A9中均观察到由于最外层竹篾断裂导致的过早失效这一现象。

图8b显示了所有试样的失效模式。可以得出结论，BFRP筋试件的破坏发生在拉伸试验中的U型锚头上，此外，还可以发现锚头破坏的发生常出现于竹篾的竹节位置。

图8. (a) 带有不同标记的9个BFRP筋试件的荷载位移曲线；(b) 9个BFRP筋试件的破坏模式；(c) 锚头失效位置的细部放大图。

理论模型的准确性还可以通过应变片采集的数据来验证。以试件A7为例，如图9所示为其拉伸试验期间8个点位的应变数据。

图9. 试件A7上8个点位的应变随时间的变化曲线。

结论

1、薄壳模型被验证可以较为准确地分析BFRP筋的抗拉承载力和力学行为。

2、厚壳模型用于分析BFRP筋的抗拉承载力和力学行为在一定程度上也可以被接受。

3、基于理论模型和拉伸试验的分析，BFRP筋在拉力作用下的最危险截面位于锚头圆弧段与斜面的交界处，且失效模式为脆性断裂。此外，由强度更高的竹篾 (即竹篾取材位置更接近于毛竹的竹青表皮) 制成的BFRP筋其平均拉伸能力约为其他BFRP筋的1.85倍。

4、BFRP筋的抗拉承载力可达18 kN，且基于各向同性假设下其抗拉强度大概在100 MPa左右。

期刊介绍

主编：Alexander Böker, University of Potsdam,Germany

期刊发表涵盖包括聚合物化学、聚合物分析与表征、高分子物理与理论、聚合物加工、聚合物应用、生物大分子、生物基和生物可降解聚合物、循环和绿色聚合物科学、聚合物胶体、聚合物膜和聚合物复合材料等研究领域在内的学术文章。