CFRP配筋高韌性復(fù)合材料正截面抗彎承載力研究

袁　偉， 周小勇， 蔡　汗， 李　娜

(1.中國地質(zhì)大學(xué)， 湖北 武漢　430074；　2.文華學(xué)院， 湖北 武漢　430074)

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CFRP配筋高韌性復(fù)合材料正截面抗彎承載力研究

袁偉1， 周小勇1， 蔡汗1， 李娜2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)， 湖北 武漢430074；2.文華學(xué)院， 湖北 武漢430074)

摘要：嘗試性的提出了CFRP配筋高韌性復(fù)合材料(CFRP-ECC)。依據(jù)工程水泥基復(fù)合材料(ECC)的單軸拉伸和壓縮試驗建立材料本構(gòu)模型，提出基于平截面假定的CFRP-ECC正截面抗彎承載力計算理論，同時設(shè)計小梁試件進行四點彎曲試驗，通過對比分析抗彎承載力理論值與試驗實測值，驗證計算理論的正確性。結(jié)果表明：提出的正截面抗彎承載力理論計算得到的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合很好，最大誤差不超過4%，研究成果可供非金屬配筋高韌性材料結(jié)構(gòu)的計算分析提供參考。

關(guān)鍵詞：CFRP配筋高韌性復(fù)合材料； 正截面； 抗彎承載力； 計算理論； 四點彎曲試驗

0引言

傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件在使用過程中因開裂后結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋易受環(huán)境影響而銹蝕，易造成承載力的損失，最終導(dǎo)致耐久性差等問題。專家和學(xué)者為了解決這一問題，不斷嘗試用高性能材料代替鋼筋的作用從而提高結(jié)構(gòu)耐久性。CFRP[1]筋就是一種由碳纖維和基體組成的高性能碳纖維復(fù)合材料，其具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點。將其代替鋼筋作用于重要的混凝土構(gòu)件中，可以較好的避免鋼筋因銹蝕而產(chǎn)生的耐久性問題。

同時，近年來為國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的工程水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites，簡稱ECC)研究，提出了一種基于斷裂力學(xué)、微觀物理力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)優(yōu)化設(shè)計，使用短纖維增強，且纖維體積不超過總體積的2.5%，在拉伸荷載作用下，具有應(yīng)變硬化和多裂縫開展的特征，拉伸應(yīng)變可以穩(wěn)定達到3%以上，材料試件表面最大裂縫寬度可以控制在100 μm以內(nèi)的新型水泥基復(fù)合材料[2-4]。這種材料運用在混凝土結(jié)構(gòu)中，可以減少主裂縫的產(chǎn)生與擴展，最大程度上避免結(jié)構(gòu)失效，提高混凝土構(gòu)件的耐久性。ECC在國內(nèi)外的實際工程中已有成功應(yīng)用的案例，如我國的港珠澳大橋和日本的橫濱大廈等。

本文嘗試性的將CFRP筋材和ECC的應(yīng)用相結(jié)合提出了CFRP配筋高韌性復(fù)合材料(以下簡稱CFRP-ECC)，并通過試驗研究和理論推導(dǎo)，了解其協(xié)同工作的力學(xué)性能，為該材料在結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中的關(guān)鍵截面計算提供依據(jù)。由于CFRP筋材與普通鋼筋力學(xué)特性不同，ECC與混凝土在本構(gòu)關(guān)系上也有顯著的區(qū)別，使得普通鋼筋混凝土正截面受彎承載力計算方法已不適用于CFRP-ECC。本文依據(jù)ECC的單軸抗拉和抗壓本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合CFRP筋的拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，提出了適用于CFRP-ECC結(jié)構(gòu)的正截面抗彎承載力計算理論，同時設(shè)計CFRP-ECC試件進行四點彎曲試驗，通過對比分析，驗證計算理論的正確性。

1正截面抗彎承載力分析理論

1.1ECC的本構(gòu)關(guān)系

依托于基金項目中對ECC材料的研究，通過試件的單軸拉伸和壓縮試驗得到的試驗數(shù)據(jù)擬合出應(yīng)力應(yīng)變曲線(見圖1)，并以此得到了ECC材料的本構(gòu)關(guān)系方程。

圖1　ECC本構(gòu)關(guān)系

1) 拉伸本構(gòu)關(guān)系：

(1)

其中：εt0=0.001 8、εtp=0.060 6分別為開裂拉應(yīng)變、極限拉應(yīng)變；σt0=1.95 MPa、σtp=3.13 MPa分別為開裂拉應(yīng)力、極限拉應(yīng)力。

2) 壓縮本構(gòu)關(guān)系：

ε<0，n>0

(2)

其中：εcp=0.014為極限壓應(yīng)變；σcp=20 MPa為極限壓應(yīng)力，且n=2。

1.2正截面抗彎承載力計算理論

CFRP筋材沒有屈服階段，其合理的破壞應(yīng)以抗壓區(qū)ECC壓碎為判斷依據(jù)，此時CFRP筋材尚未達到極限抗拉強度，所以試件應(yīng)按超筋設(shè)計[4]。伴隨著截面下邊緣拉應(yīng)力的增加，整個抗彎過程CFRP筋應(yīng)處于彈性階段。且因ECC具有拉伸應(yīng)變硬化的特點，所以在計算正截面抗彎承載力時構(gòu)件下緣的拉應(yīng)力是必須要考慮的。依據(jù)以上思路，可把CFRP-ECC正截面抗彎全過程分為3個階段。

如圖2，σs、As、Es分別為CFRP筋材的截面應(yīng)力、截面面積和彈性模量；a為抗拉區(qū)應(yīng)力轉(zhuǎn)折點到截面抗拉區(qū)底部的距離；e為筋材中心距截面抗拉區(qū)底部距離；xc為中和軸高度。

圖2　不同階段截面應(yīng)力及應(yīng)變分布

由平截面假定，以ECC底部拉應(yīng)變εt為自變量，可得截面上任意一點的應(yīng)變：

(3)

1) 彈性階段(拉區(qū)、壓區(qū)線彈性εt≤εto，εc<εcp)：

在彈性階段截面內(nèi)力平衡方程組：

(4)

2) 彈塑性階段(拉區(qū)雙線性、壓區(qū)線彈性εto<εt≤εtp，εc≤εcp)：

在彈塑性階段截面內(nèi)力平衡方程組：

(5)

3) 破壞階段(此階段無計算公式，因εc>εcp，所以壓區(qū)ECC破壞，構(gòu)件失去承載力)。

2四點彎曲試驗

2.1CFRP-ECC試件材料參數(shù)

CFRP-ECC的主要材料有CFRP筋、PVA纖維、水泥、粉煤灰、細砂、水、減水劑。水泥采用標號為42.5的普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級粉煤灰，45 μm方孔篩余量在12%～25%；砂為標準砂，經(jīng)過篩分析試驗得到，粒徑控制在200 μm左右；試驗采用桶裝飲用水和聚羧酸高性能減水劑(中交二航武漢港灣新材料有限公司生產(chǎn))。

1) CFRP筋

CFRP俗稱碳纖維塑料筋，是結(jié)構(gòu)上常用的筋材之一，與普通鋼筋材料相比，具有強度高、密度小、耐久性好、非磁性、環(huán)保等優(yōu)點。CFRP筋在拉伸荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，破壞前材料不會出現(xiàn)塑性性能。其性能指標見表1。

表1 CFRP性能指標直徑/mm極限伸長率/%應(yīng)力松弛率(20℃)/%彈性模量/GPa?60.5～1.71～3170密度/(kg·m-3)抗拉強度/MPa極限拉應(yīng)變/%175018701.1

2) ECC

ECC指一種具有應(yīng)變硬化特性和多縫開裂性能的高韌性復(fù)合材料，其由聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，簡稱PVA)短切纖維、水泥、細砂、粉煤灰等組成，其中PVA纖維性能指標見表2。

表2 PVA纖維性能指標長度/mm直徑/μm抗拉彈性模量/GPa密度/(g·cm-3)抗拉強度/MPa伸長率/%1239431.316207.0

2.2四點彎曲加載試驗

為模擬梁構(gòu)件在純彎狀態(tài)下，研究CFRP-ECC材料的力學(xué)性能，試驗設(shè)計30 mm×50 mm×400 mm小梁試件，截面配筋率1.88%，截面及加載方式如圖3；四點彎曲試驗采用美國CMT5305型300 kN微機控制電子萬能試驗機，兩點對稱加載，試驗加載過程如圖4。

圖3　試驗加載及試件截面示意圖(單位： mm)

　a) 加載初期　　b) 加載至破壞　

2.3理論推導(dǎo)與試驗結(jié)果分析

試件尺寸為30 mm×50 mm×400 mm，故h=30 mm，b=50 mm，加載部分長度l=300 mm；CFRP筋材直徑φ6，中心距ECC抗拉底部距離e=8 mm。

2.3.1理論推導(dǎo)

(6)

令εt=εto，構(gòu)件下緣達到開裂拉應(yīng)變而即將開裂，代入數(shù)值得中和軸高度xc=11.95 mm，再代入式(4)中得開裂彎矩Mcr=25.47 N·m，開裂荷載Pcr=6M/l=509.47 N。

彈塑性階段根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(5)，可推得式(7)：

(7)

令εc=εcp，構(gòu)件上緣達到極限壓應(yīng)變而即將破壞，代入數(shù)值得中和軸高度xc=13.21 mm，再代入式(5)中得極限彎矩Mu=144.20 N·m，極限荷載Pu=6M/l=2 883.86 N。

2.3.2試驗結(jié)果

通過試驗加載最后得到的荷載時間曲線可以知道3個試件對應(yīng)的初裂荷載和極限荷載，將理論計

算所得初裂荷載和極限荷載繪制在圖5，可知其與試驗值是比較接近的。

圖5　試驗荷載位移曲線及理論曲線對比

2.3.3誤差分析

將3個試件試驗所得值和計算理論值列于表3并進行誤差分析。

表3 誤差分析表荷載類型試驗值/N試件一試件二試件三計算理論值/N誤差/%試件一試件二試件三最大誤差/%初裂荷載528520514509.473.552.091.013.55極限荷載2779278827812883.863.763.423.693.76

由上表分析結(jié)果可知，初裂荷載的理論計算值與試驗實測值最大誤差為3.55%，極限荷載的理論計算值與試驗實測值最大誤差為3.76%，均不超過4%。可見計算理論得到的數(shù)值與試驗實測值比較吻合。

3結(jié)論

1) 對配CFRP-ECC提出的正截面抗彎承載力理論計算方法計算所得數(shù)值與四點彎曲試驗結(jié)果吻合良好，驗證了文章提出的基于平截面假定的CFRP配筋高韌性復(fù)合材料(CFRP-ECC)正截面抗彎承載力計算理論的正確性。

2) ECC具有拉伸應(yīng)變硬化的特征，因此文章理論推導(dǎo)中考慮了ECC對受彎截面下緣抗拉能力的貢獻，且經(jīng)過計算其占整體拉力的16%～20%，可見在計算CFRP-ECC構(gòu)件正截面抗彎承載力時ECC的抗拉是不可以忽略的。

3) 鑒于CFRP拉伸破壞前不會出現(xiàn)任何塑性，當結(jié)構(gòu)采用CFRP配筋時建議按超筋來設(shè)計，研究成果可供非金屬配筋高韌性材料結(jié)構(gòu)的計算分析提供參考。

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文章編號：1008-844X(2016)02-0170-04

收稿日期:2016-01-18

基金項目:湖北省面上基金: 2013CFB187

作者簡介:袁偉( 1991-) ，男，碩士研究生，研究方向: 土木工程

通訊作者:周小勇( 1978-) ，男，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向: 高性能復(fù)合材料及其工程應(yīng)用，工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析。

中圖分類號：U 444

文獻標識碼：A