鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋（SFCB)力學(xué)性能

試驗(yàn)方法研究

羅云標(biāo)¹  吳剛^1，2  吳智深^2，3  王燕華¹  王焰⁴

(1.東南大學(xué)木工程學(xué)院  南京  210096; 2.東南大學(xué)城市工程科學(xué)國(guó)際研究中心  南京  210096: 3.日本茨城大學(xué)工學(xué)部 日立縣 316-8511; 4.北京特希達(dá)技術(shù)研發(fā)有限公司   北京  00011)

摘要:本文介紹了鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋(SFCB)的制作方法，設(shè)計(jì)了鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋單向拉仲試驗(yàn)裝置,完成了SFCB單向拉仲試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，其破壞特征理想，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值符合較好，證明s這種測(cè)試方法能夠較好地測(cè)定SFCB的力學(xué)性能，為進(jìn)一步系統(tǒng)研究SFCB的力學(xué)性能打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:鋼連續(xù)纖維復(fù)合筋軸向拉伸破壞模式試驗(yàn)研究

Experimental Study on Test Method and Mechanical Properties of Steel-Fiber Composite Bars (SFCB)

LO Yunbia¹ WU Gang^1，2  Wu Zhishen^2，3   Wang Yanhua¹  Wang Yan⁴

(1.Collcge ofCivil Engincering Southeast Universiy, Nanjing 210096, China; 2.Intemaional Isiute for Urban SystemsEngincering, Nanjing 210096, China; 3.Department of Urban & Cil Engincering, Ibaraki University, Hiachi 316-8511,Japan; 4.Beijing Texida technology R & D Co.Lid , Beijing 000 , China)

Abstract: This paper studies the mechanical properties of the steel-fiber composite bar (SFCB) under

axial tension. The fabrication method of SFCB is introduced and a special testing device is designed to carry out

the experiment. The failure mode of specimens is reproduced as the expected resul. The designed test method is

validated by comparisions of measured data from experiments with thcoretical ones.

KeyWords: Stefibere composite bars, Axial tension, Failure mode, , experimental study

鋼筋是土木建筑結(jié)構(gòu)主要的構(gòu)造和加強(qiáng)材料，可是，由于容易腐蝕等問題，嚴(yán)重?fù)p害了構(gòu)造物的性能和使用壽命。另外，由于鋼筋是一種彈塑性材料，其增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)屈服后承載力基本不再提高，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在遭遇強(qiáng)地震作用后，往往變形過大，可恢復(fù)性能差。吳智深、吳剛^1，2提出用連續(xù)纖維復(fù)合材料包裹普通鋼筋的方法，復(fù)合出一種具有良好耐腐蝕性的鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋(SFCB)。試驗(yàn)證明，這種新型的復(fù)合筋不僅具有良好的耐腐蝕性^{1},還具有穩(wěn)定的屈服后剛度(二次剛度)以及理想的可恢復(fù)性，可利州SFCB,開發(fā)出損傷可控且可恢復(fù)性良好的新型混凝土抗震結(jié)構(gòu)。

但是，日前對(duì)鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋的力學(xué)性能測(cè)試還沒有一套規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)且有效的測(cè)試方法，直接限制了這種新的增強(qiáng)材料在工程中的推廣和應(yīng)用(圖1為某廠家生產(chǎn)的鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋，日前主要利用其耐腐蝕性作為加筋錨桿在邊坡支護(hù)等巖土工程中應(yīng)用)。為進(jìn)一步系統(tǒng)研究鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋(SFCB)的力學(xué)性能，本文介紹了SFCB的制作方法，設(shè)計(jì)了SFCB單向拉伸試驗(yàn)裝置，并完成了SFCB的單向拉伸試驗(yàn)。

1試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

圖2為SFCB的制作示意圖。表1列出了制作試件州的原材料的基本力學(xué)性能參數(shù),其中連續(xù)纖維復(fù)合材料采用碳纖維布及玄武巖纖維布，鋼筋芯.材采用φ 10帶肋鋼筋。

試件的制作步驟如下:鋼筋表面除污一>纖維布刷樹脂一>纖維布包裹一>纖維束纏繞一>固化成型。   具體過程如下: 1) 首先用砂紙輕輕去除鋼筋表面的銹污,然后用紗布蘸丙酮清洗千凈；  2)如圖2所示，將剪裁好的纖維布鋪設(shè)平整，一端用502粘結(jié)劑分五點(diǎn)與鋼筋粘結(jié)以作臨時(shí)固定，然后均勻涂刷環(huán)氧樹脂，隨后使用羅拉均勾滾動(dòng)擠壓，保證纖維絲束的樹脂浸漬飽滿； 3) 用長(zhǎng)鋼條壓緊纖維布的另一端，從與鋼筋五點(diǎn)粘結(jié)的一端緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)鋼筋并施加與鋼筋軸向乘真的張拉力,以實(shí)現(xiàn)纖維布對(duì)鋼筋密實(shí)均勻的包裹； 4)沿筋材軸向用膠手套擠去多余的樹脂，最后用浸漬過環(huán)氧樹脂的玄武巖纖維束沿與筋材軸向成45°在螺紋筋的肋牙間環(huán)向纏繞,便制成本試驗(yàn)的鋼一連續(xù)纖維復(fù)合筋。

在SFCB尚化成型后，為了能在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，還需要在SFCB兩端作錨固處理。由于纖維是一種典型的各向異性材料,其橫向與縱向強(qiáng)度比較小，僅為1: 20左右。因此傳統(tǒng)的夾片式錨固不適用于SFCB,否則將會(huì)由于其橫向強(qiáng)度過低導(dǎo)致筋材的外包覆層在錨內(nèi)區(qū)過早火效。為了保證錨具系統(tǒng)具有可常的錨固性能，試驗(yàn)時(shí)SFCB中鋼筋和纖維的強(qiáng)度均能夠得到充分的發(fā)揮，本試驗(yàn)采州粘結(jié)式錨具(如圖3所示)對(duì)SFCB進(jìn)行錨固，粘結(jié)介質(zhì)采州北京特希達(dá)技術(shù)開發(fā)有限公司研究配制的多成份混合膠，其強(qiáng)度高，粘結(jié)效果好，能滿足本試驗(yàn)研究的要求。

圖3 粘結(jié)式錨具

以下是試驗(yàn)中需要特別考慮的內(nèi)容: 1) 由于是筋材單向拉伸試驗(yàn)，筋材的軸線與儀器的中心之間的偏心對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有較大的影響，故特別設(shè)計(jì)了附加對(duì)中螺母，以保證拉伸力和筋材的軸線在一真線上; 2)為了防止筋材在伸入錨具時(shí)在錨具端部易發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致過早失效破壞，在該區(qū)段采取增加纖維布層數(shù)的方法予以加強(qiáng)保護(hù)，如圖4所示。

最后，制作完成后的SFCB試件見圖5、圖6。

1.2試驗(yàn)裝置

由丁SFCB試件兩端的粘結(jié)式錨具帶有外螺牙,可以很方便地通過螺母、固定鋼板及螺栓與 MTS電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)相連接(如圖7所示)。本試驗(yàn)采用兩套試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量及采集系統(tǒng), 一套是MTS試驗(yàn)機(jī)自帶的測(cè)量系統(tǒng)，通過試驗(yàn)機(jī)自身的傳感設(shè)備測(cè)量并采集試件兩加載端之間的荷載和位移。第二套試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖8所示，其中試驗(yàn)過程中的復(fù)合筋張拉力通過力傳感器測(cè)量，筋材的拉伸應(yīng)變通過用LVDT雙側(cè)電子引伸儀(與單側(cè)電子引伸儀相比，能夠消除筋材彎曲對(duì)拉伸應(yīng)變測(cè)量的影響)測(cè)量，同時(shí)在SFCB試件中部?jī)蓚?cè)粘貼電阻式應(yīng)變片與之校核，以上測(cè)試儀器均連接到TDS303靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

之所以采用兩套試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，是為了測(cè)得試件單向拉伸試驗(yàn)的全過程曲線。由于在試驗(yàn)過程中將經(jīng)歷纖維斷裂及鋼筋斷裂，為保護(hù)電子引伸計(jì),需在纖維斷裂前將其卸下，而纖維斷裂時(shí)應(yīng)變片也將火效，這樣若僅采用第二套系統(tǒng)無法測(cè)得試驗(yàn)的全過程曲線。而若僅采用第一套測(cè)量系統(tǒng)，在試驗(yàn)初期荷載和位移較小時(shí)測(cè)得的誤差較大。采用兩套測(cè)量系統(tǒng)，在小變形階段，以第二套測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù).為主，在大變形以及卸去電子引伸計(jì)后，以第一套測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)為主。另外，兩套測(cè)量系統(tǒng)間可以相互校定，從而得到理想的試驗(yàn)全過程曲線。

1.3 試驗(yàn)過程與結(jié)果

試驗(yàn)過程中采用位移控制的加載方式。通過螺母、鋼板及螺栓將SFCB試件安裝在MTS試驗(yàn)機(jī)后，以0.5mm/min的加載速度進(jìn)行單軸靜力加載。在加載初期，鋼筋內(nèi)芯和纖維外包覆層共同承擔(dān)荷載，當(dāng)拉伸應(yīng)變約為0.002時(shí)開始發(fā)生屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)為SFCB的應(yīng)力水平隨應(yīng)變?cè)黾佣岣叩姆葴p小，但仍持續(xù)且穩(wěn)定地增加，即SFCB表現(xiàn)了較高的屈服后剛度(二次剛度)。此時(shí)鋼筋內(nèi)芯已經(jīng)屈服,不能承擔(dān)更高的荷載，增加的荷載主要由纖維外包覆層承擔(dān)。隨著荷載的增加，當(dāng)試件中部的纖維外包覆層斷裂失效時(shí)到達(dá)其承載力峰值,隨著纖維斷裂，其承載力迅速下降，此時(shí)，外荷載由屈服后的鋼筋內(nèi)芯承擔(dān), SFCB的承載力基本上不再增加。試件的破壞形式也比較理想，首先是試件中部的鋼筋屈服，然后是屈服鋼筋附近的纖維斷裂,最后是纖維斷裂破壞處附近區(qū)段內(nèi)的鋼筋被拉斷。

試驗(yàn)過程中主要有以下現(xiàn)象:

1)表現(xiàn)出了明顯且穩(wěn)定的二次剛度，從鋼筋屈服、纖維斷裂破壞到鋼筋斷裂,破壞過程有很明顯的階段性。

2)破壞部位比較集中，纖維斷裂和鋼筋屈服、斷裂都發(fā)生在一個(gè)相對(duì)集中的區(qū)段,而其他區(qū)段基本_上沒有發(fā)生的纖維破壞以及纖維鋼筋內(nèi)芯刺離等現(xiàn)象，如圖9所示。

3)如圖10所示，錨固孔口處的錨固膠沒有明顯變形和裂紋，錨固膠與筋材接觸面沒有膠體脫開及滑移現(xiàn)象，說明錨固效果理想。

2、 SFCB應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的計(jì)算

基于鋼筋和纖維復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，根據(jù)材料的復(fù)合法則，可以求得SFCB的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。如圖11所示，鋼筋采川雙折線彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型，纖維復(fù)合材料采用線彈性本構(gòu)關(guān)系模型。從開始張拉到鋼筋屈服為SFCB的應(yīng)變區(qū)間I,其拉伸應(yīng)力為σ₁彈性模量為E₁，以及SFCB的應(yīng)變?yōu)椤?其表達(dá)式如式(1),(2)所示。

式中，

Es、As、￡y分別為鋼筋的彈性模量、橫截面面積、屈服應(yīng)變;

E_p、A_F分別為連續(xù)纖維外包覆層的彈性模址、橫截面面積:

  A為SFCB橫截面總面積，A=A_s+A_F 。

式中，f_y ε_y分別為鋼筋的屈服應(yīng)力、屈服應(yīng)變;ε_F為連續(xù)纖維外包覆層的斷裂應(yīng)變。

最后，連續(xù)纖維外包覆層斷裂到鋼筋斷裂為SFCB的應(yīng)變區(qū)間III,其拉伸應(yīng)力為σm，彈性模量率為Em,不考慮鋼筋的強(qiáng)化作用，且由于此時(shí)連續(xù)纖維外包覆層己斷裂，故計(jì)算SFCB的應(yīng)力時(shí)不計(jì)入連續(xù)纖維外包覆層的橫截面面積，則其表達(dá)式如式(5), (6)所示。

式中，E_xmax為鋼筋的斷裂應(yīng)變。

將試驗(yàn)結(jié)果與j理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，圖12為其中一個(gè)試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，表2為該試件的具體試驗(yàn)結(jié)果。

從SFCB的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出,試驗(yàn)結(jié)果中的SFCB屈服點(diǎn)和屈服前剛度都與理論計(jì)算吻合得較好，說明本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法能較好地測(cè)定SFCB的力學(xué)性能。但是,對(duì)于屈服后的剛度和極限應(yīng)變，試驗(yàn)值和理論計(jì)算值還有一定的誤差，其中屈服后剛度的試驗(yàn)值要高于理論計(jì)算值,而極限應(yīng)變值的試驗(yàn)值則低于理論計(jì)算值，分析其原閃是由于纖維外包覆層在拉剪同時(shí)作用下發(fā)生破壞，因此未能達(dá)到其材料的拉伸極限應(yīng)變，至于試驗(yàn)結(jié)果的二次剛度值比理論計(jì)算高的現(xiàn)象以及是否存在復(fù)合效應(yīng)等擬在進(jìn)一步的試驗(yàn)及理論研究中繼續(xù)探討。

3結(jié)論

本文針對(duì)鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋(SFCB)這種新型增強(qiáng)材料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了其單向拉伸試驗(yàn)裝置，有效地解決了筋材試驗(yàn)中的對(duì)中問題及錨內(nèi)區(qū)應(yīng)力集中導(dǎo)致筋材失效破壞的問題。完成了系列SFCB單向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，其破壞特征理想，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算符合得較好，證明這種測(cè)試方法能夠較好地測(cè)定SFCB的力學(xué)性能，為進(jìn)一步系統(tǒng)研究SFCB的力學(xué)性能打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn): :

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混凝上抗震結(jié)構(gòu)[P].國(guó)家發(fā)明:

[2]羅云標(biāo)，吳剛。靈智深，王燕華鋼-連續(xù)纖維復(fù)介筋拉伸力學(xué)性能

試驗(yàn)研究[]力學(xué)與工程，2007， 213-218

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