FRP筋混凝土连续梁力学性能试验研究

秦永科

摘要：随着科学技术的不断发展，FRP筋的运用越来越广泛。因此，对于FRP筋的力学性能研究就显得格外重要。本文从FRP筋的制作方法、抗拉强度、弹性模量、延伸率等力学性能试验方法,对FRP筋拉伸试验结果进行了统计分析,给出了用于FRP筋混凝土结构设计的力学性能指标,提出了混杂纤维FRP筋设计思路。
关键词：FRP筋力学性能试验
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

中图分类号： TQ174.1+5 文献标识码：A 文章编号：
　　在钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀一直都是在学术界研究的一个重要课题，不管是再海洋、道路建设中，还是在化工及盐害地的建设中，钢筋的锈蚀问题一直都是一个非常严重的问题，这种钢筋的锈蚀导致建筑结构的丧失应有的承载能力，使其的使用寿命大大降低。随着一些如碳素、芳纶等高科技材料的出现，这些材料的性能很好，一般都具有耐腐蚀、轻质、高强、无磁性、抗疲劳等一系列优良特性,如碳纤维强度高达3000-3500 N/mm2,是钢筋的10倍左右,同时其重量仅为钢筋的25%,抗疲劳性能优于钢筋,锈蚀问题也不存在。把这类纤维含浸热硬性树脂,通过拉挤工艺制成高性能纤维复合筋(fiber reinforced plastics,以下简称FRP筋),可广泛应用于海工、化工、通信、情报、雷达站、机场塔台等特殊工程中。笔者与企业合作,研制开发了玻璃纤维筋、碳纤维筋、碳纤维板材及相关锚具,并对各种FRP筋的力学性能进行了试验研究,提出了用于构件设计的力学性能指标和混杂纤维FRP筋设计思路。
一、设计与制作FRP筋
本试验用FRP筋是通过拉挤工艺把连续玻璃纤维或连续碳纤维与环氧树脂按照一定的比例胶合而成,分别由上海晓宝纤维增强塑料厂和山东兖矿集团玻璃纤维厂加工生产,其中山东兖矿集团玻璃纤维厂生产的FR筋主要是GFRP筋,纤维体积分数约45%,表面光滑,没有进行表面粘砂及异型处理。上海晓宝纤维增强塑料厂生产的FRP筋包括GFRP筋和CFRP筋2种,纤维体积分数约65%,为增强FRP筋与混凝土间粘结力,在FRP筋表面进行了环绕纤维束及粘砂异型处理。

二、FRP筋的力学性能试验
钢筋力学性质所不同的,FRP筋具有抗拉强度高、抗压、抗剪强度低的特点。因此,在进行FRP筋拉伸试验时，如果直接把FRP筋安装在试验机夹头上就会在FRP筋未达到极限抗拉强度时,在试件端部出现受压破坏现象,从而无法测定FRP筋实际极限强度值。因此本文设计了两种钢套筒锚具以应对这种问题。
（一）注胶式钢套筒锚具
加工孔径略大于FRP筋直径的钢管,把FRP筋插入钢管内,再入胶合剂,待胶合剂完全固化后即成注胶式钢管锚具。本试验用注胶式钢管锚具外径为16mm,内径为11mm,长度为300、250 mm两种,胶合剂为Si ka公司提供的Sikadur-330胶。
（二）压制式钢套筒锚具
第一步对FRP筋一端进行一定的表面处理；第二步将其放入金属筒中,再用压制机缓慢、匀压制金属筒,使其径向收缩压紧FRP筋即成压制式钢套筒锚具。由于表面粘砂FRP筋的表面粗糙,在压制之前宜对金属筒内的FRP筋进行表面处理。另外,为防止FRP筋压坏,在金属筒与FRP筋之间放入一层软质金属材料。

三、试验结果与分析
（一）拉伸试验
试验仪器为600KN电液试验机、引伸计以及静态应变仪。根据试验结果,试件的破坏形态主要有如下表1所示的几种情况。
表1 试件破坏形态
名称内涵

断裂破坏 FRP筋在高应力状态下突然断裂,该破坏形态主要发生在表面粘砂CFRP筋上,如上海晓宝CFRP筋表面粘砂,并用纤维束表面螺旋状缠绕,且表面异型,从而防止了FRP筋的分散破坏,在拉伸过程中CFRP筋的破坏形态呈弹性破坏,断裂前无断裂征兆,纤维突然断裂。
拉毛后断裂拉伸破坏时首先在FRP筋表面出现胶合剂剥落,之后纤维拉毛,纤维间纵向滑移后破坏,该破坏形态主要发生在表面粘砂GFRP筋上。
劈裂破坏试件缠绕了纤维束,在拉伸过程中因局部损伤、断裂而出现劈裂现象。
分散破坏 FRP筋在拉伸过程中达到极限强度时分散拉断,该破坏形态主要发生在表面光圆FRP筋上。
（二）应力-应变曲线
根据试验,FRP筋从开始受到负荷直到完全破坏时,其应力-应变曲线是可以近似一条直线,FRP筋破坏时没有征兆,突然断裂,无屈服阶段,破坏形式为脆性破坏。由于碳纤维弹性模量大,与玻璃纤维相比,其曲线斜率较陡。FRP筋由于锚固强度不足而出现滑移现象,其应力-应变曲线后段出现一直线平台后破断。试验表明兖矿集团所生产的FRP筋弹性模量小,曲线斜率相对较缓。
（三）试验结果统计分析
在试验过程中，为了更好地掌握两种类型的FRP筋的性能，我们做了如下统计分析：
1.FRP筋抗拉强度
根据试验结果分析,FRP筋抗拉强度变化规律基本符合正态分布,按照95%抗拉强度保证率试验确定FRP筋极限抗拉强度标准值为：=u-1.65*σ。由于FRP筋不像普通碳素钢那样具有明显的延展阶段,参照没有明显屈服台阶的钢筋,近似取其极限抗拉强度标准值的70%作为它的延展强度标准值,即。
2.FRP筋弹性模量
依据《拉挤玻璃纤维增强塑料杆拉伸性能实验方法》,FRP筋弹性模量有拉伸弹性模量和拉伸割线弹性模量,为统一起见,本试验给出的弹性模量为拉伸弹性模量Et,即[ΔP为荷载-变形曲线上初始直线段的应力增量;ΔL为与荷载增量ΔP对应的标距长度L0(取100 mm)的变形增量(mm);A为FRP筋截面积。]。
3.FRP筋延伸率
FRP试样拉伸破坏时或最大载荷处的延伸率εt为，式中:ΔLb为试样破坏时或最大载荷处标距长度的伸长量。按照上述计算方法,各种FRP筋力学性能指标统计结果如下表2。
表2 FRP筋力学性能指标
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、结论
根据本试验的分析，FRP筋一般具有如下几个方面的特征：第一，FRP筋的抗拉强度较高，为一般钢筋的3倍左右，同时还具有重量轻、耐锈蚀强的特点；第二，FRP筋拉伸破坏为断裂破坏,其应力-应变曲线在断裂破坏前基本呈直线,屈服台阶不明显,参照没有明显屈服台阶的钢筋,近似取其极限抗拉强度标准值的70%作为它的屈服强度标准值；第三，FRP筋的弹性模量较低，约为一般钢筋的20%至65%，其延伸率明显小于普通的钢筋材料；第四，运用两种以上的不同新型纤维所形成的复合筋具有更优良的性能，一方面可以保证抗拉强度，另一方面还可以有效提升这类材料的延伸率。
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