摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)RP筋的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。因此，對(duì)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(qiáng)度、彈性模量、延伸率等力學(xué)性能試驗(yàn)方法,對(duì)FRP筋拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,給出了用于FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)性能指標(biāo),提出了混雜纖維FRP筋設(shè)計(jì)思路。
　　關(guān)鍵詞：FRP筋，力學(xué)性能，試驗(yàn)
　　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(gè)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(wèn)題一直都是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)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(qiáng)、無(wú)磁性、抗疲勞等一系列優(yōu)良特性,如碳纖維強(qiáng)度高達(dá)3000-3500N/mm2,是鋼筋的10倍左右,同時(shí)其重量?jī)H為鋼筋的25%,抗疲勞性能優(yōu)于鋼筋,銹蝕問(wèn)題也不存在。把這類纖維含浸熱硬性樹(shù)脂,通過(guò)拉擠工藝制成高性能纖維復(fù)合筋(fiberreinforcedplastics,以下簡(jiǎn)稱FRP筋),可廣泛應(yīng)用于海工、化工、通信、情報(bào)、雷達(dá)站、機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)等特殊工程中。筆者與企業(yè)合作,研制開(kāi)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(duì)各種FRP筋的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,提出了用于構(gòu)件設(shè)計(jì)的力學(xué)性能指標(biāo)和混雜纖維FRP筋設(shè)計(jì)思路。
　　一、設(shè)計(jì)與制作FRP筋
　　本試驗(yàn)用FRP筋是通過(guò)拉擠工藝把連續(xù)玻璃纖維或連續(xù)碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂按照一定的比例膠合而成,分別由上海曉寶纖維增強(qiáng)塑料廠和山東兗礦集團(tuán)玻璃纖維廠加工生產(chǎn),其中山東兗礦集團(tuán)玻璃纖維廠生產(chǎn)的FR筋主要是GFRP筋,纖維體積分?jǐn)?shù)約45%,表面光滑,沒(méi)有進(jìn)行表面粘砂及異型處理。上海曉寶纖維增強(qiáng)塑料廠生產(chǎn)的FRP筋包括GFRP筋和CFRP筋2種,纖維體積分?jǐn)?shù)約65%,為增強(qiáng)FRP筋與混凝土間粘結(jié)力,在FRP筋表面進(jìn)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(yàn)
　　鋼筋力學(xué)性質(zhì)所不同的,FRP筋具有抗拉強(qiáng)度高、抗壓、抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)。因此,在進(jìn)行FRP筋拉伸試驗(yàn)時(shí)，如果直接把FRP筋安裝在試驗(yàn)機(jī)夾頭上就會(huì)在FRP筋未達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí),在試件端部出現(xiàn)受壓破壞現(xiàn)象,從而無(wú)法測(cè)定FRP筋實(shí)際極限強(qiáng)度值。因此本文設(shè)計(jì)了兩種鋼套筒錨具以應(yīng)對(duì)這種問(wèn)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(yàn)用注膠式鋼管錨具外徑為16mm,內(nèi)徑為11mm,長(zhǎng)度為300、250mm兩種,膠合劑為Sika公司提供的Sikadur-330膠。
　　（二）壓制式鋼套筒錨具
　　第一步對(duì)FRP筋一端進(jìn)行一定的表面處理；第二步將其放入金屬筒中,再用壓制機(jī)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(duì)金屬筒內(nèi)的FRP筋進(jìn)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(yàn)結(jié)果與分析
　　（一）拉伸試驗(yàn)
　　試驗(yàn)儀器為600KN電液試驗(yàn)機(jī)、引伸計(jì)以及靜態(tài)應(yīng)變儀。根據(jù)試驗(yàn)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(guò)程中CFRP筋的破壞形態(tài)呈彈性破壞,斷裂前無(wú)斷裂征兆,纖維突然斷裂。
　　拉毛后斷裂 拉伸破壞時(shí)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(guò)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(guò)程中達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)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(yàn),FRP筋從開(kāi)始受到負(fù)荷直到完全破壞時(shí),其應(yīng)力-應(yīng)變曲線是可以近似一條直線,FRP筋破壞時(shí)沒(méi)有征兆,突然斷裂,無(wú)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(qiáng)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(tái)后破斷。試驗(yàn)表明兗礦集團(tuán)所生產(chǎn)的FRP筋彈性模量小,曲線斜率相對(duì)較緩。
　　（三）試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析
　　在試驗(yàn)過(guò)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(jì)分析：
　　1.FRP筋抗拉強(qiáng)度
　　根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,FRP筋抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律基本符合正態(tài)分布,按照95%抗拉強(qiáng)度保證率試驗(yàn)確定FRP筋極限抗拉強(qiáng)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(méi)有明顯屈服臺(tái)階的鋼筋,近似取其極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的70%作為它的延展強(qiáng)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(qiáng)塑料桿拉伸性能實(shí)驗(yàn)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(jiàn),本試驗(yàn)給出的彈性模量為拉伸彈性模量Et,即。
　　3.FRP筋延伸率
　　FRP試樣拉伸破壞時(shí)或最大載荷處的延伸率εt為，式中:ΔLb為試樣破壞時(shí)或最大載荷處標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。按照上述計(jì)算方法,各種FRP筋力學(xué)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表2。
　　表2FRP筋力學(xué)性能指標(biāo)
　　Nameof
　　FRPbar Diameter/mm
　　 Sectionalarea/mm2 ftk/MPa
　　 fyk/MPa
　　 Rateofelongation/% Elasticmodulus
　　/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(yàn)的分析，F(xiàn)RP筋一般具有如下幾個(gè)方面的特征：第一，F(xiàn)RP筋的抗拉強(qiáng)度較高，為一般鋼筋的3倍左右，同時(shí)還具有重量輕、耐銹蝕強(qiáng)的特點(diǎn)；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(tái)階不明顯,參照沒(méi)有明顯屈服臺(tái)階的鋼筋,近似取其極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的70%作為它的屈服強(qiáng)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(yùn)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(qiáng)度，另一方面還可以有效提升這類材料的延伸率。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]彭亞萍、徐新生、初風(fēng)榮，連續(xù)玻璃纖維筋的基本力學(xué)性能研究[J].房材與應(yīng)用.2000(3)。
　　[2]高丹盈、B.Brahim，纖維聚合物筋與混凝土粘結(jié)性能的影響因素[J].工業(yè)建筑.2001(2)。
　　[3]高丹盈、趙廣田、B.Brahim，纖維聚合物筋混凝土梁正截面性能的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑.2001(9)。
　　[4]郝慶多、王勃、歐進(jìn)萍，纖維增強(qiáng)塑料筋在土木工程中的應(yīng)用[J].混凝土.2006(9)。
　　[5]徐新生、鄭永峰，F(xiàn)RP筋力學(xué)性能試驗(yàn)研究及混雜效應(yīng)分析[J].建筑材料學(xué)報(bào).2007(6)。