秦永科

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)RP筋的運用越來越廣泛。因此，對于FRP筋的力學(xué)性能研究就顯得格外重要。本文從FRP筋的制作方法、抗拉強度、彈性模量、延伸率等力學(xué)性能試驗方法,對FRP筋拉伸試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計分析,給出了用于FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的力學(xué)性能指標(biāo),提出了混雜纖維FRP筋設(shè)計思路。
關(guān)鍵詞：FRP筋  力學(xué)性能  試驗
Abstract: along with the development of science and technology, the use of FRP muscle more and more widely. So, for the mechanical properties of the steel FRP research is especially important. This paper, from the reinforcement method of making FRP, tensile strength and elastic modulus, elongation of mechanics performance testing method, the FRP muscle tension test results of statistical analysis was given in reinforced concrete structure design of FRP, the mechanical performance index of the proposed hybrid fiber reinforced FRP design.
Keywords: FRP muscle mechanical test


中圖分類號：   TQ174.1+5            文獻標(biāo)識碼：A                 文章編號：
　　在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕一直都是在學(xué)術(shù)界研究的一個重要課題，不管是再海洋、道路建設(shè)中，還是在化工及鹽害地的建設(shè)中，鋼筋的銹蝕問題一直都是一個非常嚴重的問題，這種鋼筋的銹蝕導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的喪失應(yīng)有的承載能力，使其的使用壽命大大降低。隨著一些如碳素、芳綸等高科技材料的出現(xiàn)，這些材料的性能很好，一般都具有耐腐蝕、輕質(zhì)、高強、無磁性、抗疲勞等一系列優(yōu)良特性,如碳纖維強度高達3000-3500 N/mm2,是鋼筋的10倍左右,同時其重量僅為鋼筋的25%,抗疲勞性能優(yōu)于鋼筋,銹蝕問題也不存在。把這類纖維含浸熱硬性樹脂,通過拉擠工藝制成高性能纖維復(fù)合筋(fiber reinforced plastics,以下簡稱FRP筋),可廣泛應(yīng)用于海工、化工、通信、情報、雷達站、機場塔臺等特殊工程中。筆者與企業(yè)合作,研制開發(fā)了玻璃纖維筋、碳纖維筋、碳纖維板材及相關(guān)錨具,并對各種FRP筋的力學(xué)性能進行了試驗研究,提出了用于構(gòu)件設(shè)計的力學(xué)性能指標(biāo)和混雜纖維FRP筋設(shè)計思路。
一、設(shè)計與制作FRP筋
本試驗用FRP筋是通過拉擠工藝把連續(xù)玻璃纖維或連續(xù)碳纖維與環(huán)氧樹脂按照一定的比例膠合而成,分別由上海曉寶纖維增強塑料廠和山東兗礦集團玻璃纖維廠加工生產(chǎn),其中山東兗礦集團玻璃纖維廠生產(chǎn)的FR筋主要是GFRP筋,纖維體積分數(shù)約45%,表面光滑,沒有進行表面粘砂及異型處理。上海曉寶纖維增強塑料廠生產(chǎn)的FRP筋包括GFRP筋和CFRP筋2種,纖維體積分數(shù)約65%,為增強FRP筋與混凝土間粘結(jié)力,在FRP筋表面進行了環(huán)繞纖維束及粘砂異型處理。

二、FRP筋的力學(xué)性能試驗
鋼筋力學(xué)性質(zhì)所不同的,FRP筋具有抗拉強度高、抗壓、抗剪強度低的特點。因此,在進行FRP筋拉伸試驗時，如果直接把FRP筋安裝在試驗機夾頭上就會在FRP筋未達到極限抗拉強度時,在試件端部出現(xiàn)受壓破壞現(xiàn)象,從而無法測定FRP筋實際極限強度值。因此本文設(shè)計了兩種鋼套筒錨具以應(yīng)對這種問題。
（一）注膠式鋼套筒錨具
加工孔徑略大于FRP筋直徑的鋼管,把FRP筋插入鋼管內(nèi),再入膠合劑,待膠合劑完全固化后即成注膠式鋼管錨具。本試驗用注膠式鋼管錨具外徑為16mm,內(nèi)徑為11mm,長度為300、250 mm兩種,膠合劑為Si ka公司提供的Sikadur-330膠。
（二）壓制式鋼套筒錨具
第一步對FRP筋一端進行一定的表面處理；第二步將其放入金屬筒中,再用壓制機緩慢、勻壓制金屬筒,使其徑向收縮壓緊FRP筋即成壓制式鋼套筒錨具。由于表面粘砂FRP筋的表面粗糙,在壓制之前宜對金屬筒內(nèi)的FRP筋進行表面處理。另外,為防止FRP筋壓壞,在金屬筒與FRP筋之間放入一層軟質(zhì)金屬材料。

三、試驗結(jié)果與分析
（一）拉伸試驗
試驗儀器為600KN電液試驗機、引伸計以及靜態(tài)應(yīng)變儀。根據(jù)試驗結(jié)果,試件的破壞形態(tài)主要有如下表1所示的幾種情況。
表1  試件破壞形態(tài)
名稱 內(nèi)涵

斷裂破壞 FRP筋在高應(yīng)力狀態(tài)下突然斷裂,該破壞形態(tài)主要發(fā)生在表面粘砂CFRP筋上,如上海曉寶CFRP筋表面粘砂,并用纖維束表面螺旋狀纏繞,且表面異型,從而防止了FRP筋的分散破壞,在拉伸過程中CFRP筋的破壞形態(tài)呈彈性破壞,斷裂前無斷裂征兆,纖維突然斷裂。
拉毛后斷裂 拉伸破壞時首先在FRP筋表面出現(xiàn)膠合劑剝落,之后纖維拉毛,纖維間縱向滑移后破壞,該破壞形態(tài)主要發(fā)生在表面粘砂GFRP筋上。
劈裂破壞 試件纏繞了纖維束,在拉伸過程中因局部損傷、斷裂而出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。
分散破壞 FRP筋在拉伸過程中達到極限強度時分散拉斷,該破壞形態(tài)主要發(fā)生在表面光圓FRP筋上。
（二）應(yīng)力-應(yīng)變曲線
根據(jù)試驗,FRP筋從開始受到負荷直到完全破壞時,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線是可以近似一條直線,FRP筋破壞時沒有征兆,突然斷裂,無屈服階段,破壞形式為脆性破壞。由于碳纖維彈性模量大,與玻璃纖維相比,其曲線斜率較陡。FRP筋由于錨固強度不足而出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線后段出現(xiàn)一直線平臺后破斷。試驗表明兗礦集團所生產(chǎn)的FRP筋彈性模量小,曲線斜率相對較緩。
（三）試驗結(jié)果統(tǒng)計分析
在試驗過程中，為了更好地掌握兩種類型的FRP筋的性能，我們做了如下統(tǒng)計分析：
1.FRP筋抗拉強度
根據(jù)試驗結(jié)果分析,FRP筋抗拉強度變化規(guī)律基本符合正態(tài)分布,按照95%抗拉強度保證率試驗確定FRP筋極限抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為：=u-1.65*σ。由于FRP筋不像普通碳素鋼那樣具有明顯的延展階段,參照沒有明顯屈服臺階的鋼筋,近似取其極限抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值的70%作為它的延展強度標(biāo)準(zhǔn)值,即。
2.FRP筋彈性模量
依據(jù)《拉擠玻璃纖維增強塑料桿拉伸性能實驗方法》,FRP筋彈性模量有拉伸彈性模量和拉伸割線彈性模量,為統(tǒng)一起見,本試驗給出的彈性模量為拉伸彈性模量Et,即[ΔP為荷載-變形曲線上初始直線段的應(yīng)力增量;ΔL為與荷載增量ΔP對應(yīng)的標(biāo)距長度L0(取100 mm)的變形增量(mm);A為FRP筋截面積。]。
3.FRP筋延伸率
FRP試樣拉伸破壞時或最大載荷處的延伸率εt為，式中:ΔLb為試樣破壞時或最大載荷處標(biāo)距長度的伸長量。按照上述計算方法,各種FRP筋力學(xué)性能指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果如下表2。
表2  FRP筋力學(xué)性能指標(biāo)
Name of
FRP bar Diameter/mm
Sectional area/mm2 ftk/MPa
fyk/MPa
  Rate of elongation /% Elastic modulus
/GPa
CFRP 9.5 70.8 1778 1249 1.69 137
CFRP 9.5 70.8 992 691 2.30 73
CFRP 9.5 70.8 1683 1172 1.47 130
CFRP 9.5 70.8 609 425 2.25 42

四、結(jié)論
根據(jù)本試驗的分析，F(xiàn)RP筋一般具有如下幾個方面的特征：第一，F(xiàn)RP筋的抗拉強度較高，為一般鋼筋的3倍左右，同時還具有重量輕、耐銹蝕強的特點；第二，F(xiàn)RP筋拉伸破壞為斷裂破壞,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線在斷裂破壞前基本呈直線,屈服臺階不明顯,參照沒有明顯屈服臺階的鋼筋,近似取其極限抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值的70%作為它的屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值；第三，F(xiàn)RP筋的彈性模量較低，約為一般鋼筋的20%至65%，其延伸率明顯小于普通的鋼筋材料；第四，運用兩種以上的不同新型纖維所形成的復(fù)合筋具有更優(yōu)良的性能，一方面可以保證抗拉強度，另一方面還可以有效提升這類材料的延伸率。
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