鋼筋芯—FRP復(fù)合筋力學(xué)性能研究

李廷舒　吳佳昕　楊亮

摘 要：文章主要介紹了混雜FRP復(fù)合筋的制作過程和試驗(yàn)過程，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡略的分析，得到FRP復(fù)合筋的性能結(jié)論

關(guān)鍵詞：FRP復(fù)合筋；備置原理；拉拔試驗(yàn)；抗壓試驗(yàn)；彈性試驗(yàn)

鋼筋芯-FRP復(fù)合筋由哈工大張志春博士首次提出的，他利用鋼絞線代替高模量纖維，低模量纖維采用價格相對便宜的玻璃纖維材料，即降低了材料的整體成本，又不降低其FRP筋較好的耐腐蝕的特性。文章就是在張志春博士研制的鋼筋芯-FRP筋的基礎(chǔ)上進(jìn)行下進(jìn)行研究的。

1 成型設(shè)備及其工藝流程

采用傳統(tǒng)的FRP筋拉擠成型設(shè)備，其基本組成為纖維紗架、樹脂浸潤槽、纖維分紗板、加熱成型模具和牽引裝置，如圖1所示。

2 鋼筋芯-FRP復(fù)合筋拉伸試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)方法

雖然鋼筋芯-FRP復(fù)合筋具有較高的抗拉強(qiáng)度，但是其抗剪能力很弱，而且復(fù)合筋里面的樹脂屬于脆性材料，很容易被破壞，所以對鋼筋芯-FRP復(fù)合筋抗拉試驗(yàn)，不能直接放到材力機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，必須對端部采取措施，防止在試驗(yàn)過程中端部被夾壞（圖2）。

圖2 鋼筋芯-FRP復(fù)合筋拉伸件

根據(jù)ACI440.1R-06的規(guī)定，當(dāng)FRP筋的標(biāo)距長度和直徑的比值L0/d在40～70時，L0/d就不會對試件的拉伸試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響，所以本試驗(yàn)采用標(biāo)距L0=400mm。為了保證端部不會被夾壞，我們采用自行設(shè)計(jì)制造的握裹式錨夾具對鋼筋芯-FRP復(fù)合筋進(jìn)行錨固。其中，錨固長度250mm，采用內(nèi)直徑為12mm，壁厚約2mm的不銹鋼管，內(nèi)部灌漿料采碳纖維樹脂膠進(jìn)行粘結(jié)。

2.2 試件的制作

由于鋼筋芯-FRP復(fù)合筋抗拉強(qiáng)度高，在端部處理方面要細(xì)心處理，盡量減少端部與錨固套管脫落了導(dǎo)致試件失敗。具體操作如下：

（1）用電動切割機(jī)切割長度為900mm的鋼筋芯-FRP復(fù)合筋。

（2）用銼刀將切割好的鋼筋芯-FRP復(fù)合筋端部錨固范圍（250mm）進(jìn)行打磨，去除復(fù)合筋表面的肋，露出FRP復(fù)合筋光滑的面，并用砂紙把表面磨粗，增加粘結(jié)力。

（3）把打磨后的復(fù)合筋用丙酮擦拭干凈，晾干，然后根據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T228-2002）進(jìn)行尺寸的測量。對于圓形橫截面試樣，應(yīng)在標(biāo)距的兩端及中間三處兩個相互垂直的方向測量直徑，取其算術(shù)平均值，取用三處測得的最小橫截面面積，記錄并編號。

（4）根據(jù)配方配置樹脂膠，取鋼筋芯-FRP復(fù)合筋和錨固套管，把加工好的筋的端部蘸上少量的樹脂，插入錨固套管中，保證筋與套管之間的樹脂均勻，不出現(xiàn)空洞。同時也要保證復(fù)合筋在套管的中間，并固定好位置，防止在材力機(jī)上產(chǎn)生剪力而被剪斷。

（5）把做好的試件放置室內(nèi)養(yǎng)護(hù)7天，保證其粘結(jié)性。

2.3 試驗(yàn)加載制度

為了準(zhǔn)確測得鋼筋芯-FRP復(fù)合筋的抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線，以研究其材料性能，其應(yīng)變速率應(yīng)該控制在0.00005/s～0.0001/s范圍內(nèi)，根據(jù)試件的尺寸，本試驗(yàn)選取加載速度為3mm/s。

2.4 數(shù)據(jù)處理

鋼筋芯-FRP復(fù)合筋的極限抗拉強(qiáng)度的計(jì)算方法為：具有95%的保證率，極限抗拉強(qiáng)度的實(shí)測平均值減去標(biāo)準(zhǔn)差的1.6456倍。

2.5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件在實(shí)驗(yàn)加載初期，應(yīng)力應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)呈一條直線，沒有顯著的現(xiàn)象，主筋外表的樹脂纖維和主筋中間的鋼絞線共同作用；當(dāng)試件加載到25kN左右時，試件開始出現(xiàn)輕微的纖維破壞的聲音，部分肋與主筋粘接緊密的纖維開始由于橫向變形而斷裂，但不影響主筋承載力的增加，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)匀环Q直線增加，此時纖維和鋼絞線仍然共同作用；當(dāng)試件加載到35kN以后，部分試件的部分肋出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象，主筋也開始出現(xiàn)縱向細(xì)微的裂縫，橫向變形不斷的增加，橫向肋的約束不斷的減小，但由于橫向肋并沒有被完全拉斷，此時試件主筋抗壓強(qiáng)度依舊可以不斷增加；當(dāng)試件加載到極限抗壓強(qiáng)度附近時，縱向的裂縫開始貫通，橫向肋的抗拉強(qiáng)度達(dá)到極限，出現(xiàn)較大的側(cè)向滑動，促使橫向約束達(dá)到極限。隨著應(yīng)力的增加，最終使橫向約束不能約束由于鋼絞線受壓而產(chǎn)生的橫向變形，試件在一聲巨響后破壞，主筋上面的裂縫基本貫通，導(dǎo)致主筋兩端裂縫處出現(xiàn)Z字形的劈裂，試件的承載力迅速降了下來。

3 鋼筋芯-FRP復(fù)合筋壓縮試驗(yàn)過程

3.1 試驗(yàn)方法

由于鋼筋芯-FRP復(fù)合筋由多種纖維通過樹脂粘固在一起的，采用直接在試驗(yàn)機(jī)加載的方法進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試件是在端部首先破壞而導(dǎo)致試件的破壞，不能反映混凝土構(gòu)件中鋼筋芯-FRP復(fù)合筋的真實(shí)受力情況。本試驗(yàn)在保證試驗(yàn)過程中標(biāo)距內(nèi)為均勻單向壓縮的基礎(chǔ)上，為了保證端部在試驗(yàn)結(jié)束前不會損壞，對試驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)（圖3）。

3.2 試件的制作

試件制作是本試驗(yàn)的關(guān)鍵，要嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，保證試件的達(dá)到試驗(yàn)所需。具體如下：

（1）用電動切割機(jī)切割長度為83～85mm的鋼筋芯-FRP復(fù)合筋短柱。

（2）在刨床上加工切割下來的鋼筋芯-FRP復(fù)合筋短柱，保證短柱兩端截面平整且保證短柱長度為70mm，誤差在1mm以內(nèi)，否則不能使用。

（3）把加工好的短柱擦拭干凈，晾干，然后根據(jù)《金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)方法》（GB/T7314-2005）進(jìn)行尺寸的測量。測量試件的截面直徑和長度，記錄并編號。

（4）根據(jù)配方配置樹脂膠，取鋼筋芯-FRP復(fù)合筋短柱和抗壓試驗(yàn)裝置的加固端部件，把短柱蘸上少量的樹脂，放入加固端部件的中間，然后用力擠壓，保證短柱的底面與端部件的凹槽面接觸良好。

（5）在保證試件灌注的樹脂完全硬化的情況下，短柱上端蘸上樹脂，然后把短柱的上端放到另一個加固件的凹槽中，保證端面與凹槽面有良好接觸。

（6）把制作好的試件放入套管中，保證試件兩端有良好的平整度，然后往沒有注樹脂的凹槽里面注入樹脂。

（7）在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)7天，等后注入的樹脂完全硬化后就可以放入試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)了。

3.3 試驗(yàn)加載制度

試驗(yàn)采用控制加載速率的方法，其加載速度控制在0.3mm/s。

3.4 數(shù)據(jù)處理

鋼筋芯-FRP復(fù)合筋的極限抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法為：具有95%的保證率，即極限抗拉強(qiáng)度的實(shí)測平均值減去標(biāo)準(zhǔn)差的1.6456倍。

3.5 壓縮試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件在實(shí)驗(yàn)加載初期，應(yīng)力應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)呈一條直線，沒有顯著的現(xiàn)象，主筋外表的樹脂纖維和主筋中間的鋼絞線共同作用；當(dāng)試件加載到25kN左右時，試件開始出現(xiàn)輕微的纖維破壞的聲音，部分肋與主筋粘接緊密的纖維開始由于橫向變形而斷裂，但不影響主筋承載力的增加，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)匀环Q直線增加，此時纖維和鋼絞線仍然共同作用；當(dāng)試件加載到35kN以后，部分試件的部分肋出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象，主筋也開始出現(xiàn)縱向細(xì)微的裂縫，橫向變形不斷的增加，橫向肋的約束不斷的減小，但由于橫向肋并沒有被完全拉斷，此時試件主筋抗壓強(qiáng)度依舊可以不斷增加；當(dāng)試件加載到極限抗壓強(qiáng)度附近時，縱向的裂縫開始貫通，橫向肋的抗拉強(qiáng)度達(dá)到極限，出現(xiàn)較大的側(cè)向滑動，促使橫向約束達(dá)到極限。隨著應(yīng)力的增加，最終使橫向約束不能約束由于鋼絞線受壓而產(chǎn)生的橫向變形，試件在一聲巨響后破壞，主筋上面的裂縫基本貫通，導(dǎo)致主筋兩端裂縫處出現(xiàn)Z字形的劈裂，試件的承載力迅速降了下來。

4 結(jié)語

（1）從拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果上看，整個試驗(yàn)過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其模量的變化大致趨勢是相同的，試件理論值與實(shí)驗(yàn)值基本相吻合。

（2）從壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果上看，材料破壞先從橫向纖維變形斷裂開始，然后是主筋劈裂，但該階段受壓強(qiáng)度仍然增加，最后主筋劈裂貫通，承載力迅速下降，符合脆性材料受壓破壞。

（3）FRP復(fù)合筋通過混雜使其共同受力，由于鋼絞線和玻璃纖維的應(yīng)力-應(yīng)變過程呈線性，同時鋼絞線的極限拉應(yīng)變較小而玻璃纖維的極限應(yīng)變較大，鋼筋芯-FRP復(fù)合筋應(yīng)力-應(yīng)變呈現(xiàn)雙線破壞過程。

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