徑向布置鋼片GFRP復(fù)合筋的研制及力學(xué)性能研究

董華均 何 佳

(湖北長江路橋股份有限公司1) 武漢 430000) (三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院2) 宜昌 443000)

徑向布置鋼片GFRP復(fù)合筋的研制及力學(xué)性能研究

董華均1)何 佳2)

(湖北長江路橋股份有限公司1)武漢 430000) (三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院2)宜昌 443000)

GFRP筋因其高強(qiáng)度和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為能夠部分替代混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋.而GFRP筋抗拉彈性模量低、延性差等特點(diǎn)嚴(yán)重制約了其在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.針對(duì)此問題，結(jié)合復(fù)合原理以及已有鋼心FRP復(fù)合筋的構(gòu)造形式，從增大鋼心與GFRP間協(xié)調(diào)變形的角度出發(fā)，采用增大二者接觸面積的方式研制出了徑向布置鋼片GFRP復(fù)合筋.從理論上分析了徑向布置鋼片GFRP復(fù)合筋的受力機(jī)理，并對(duì)其進(jìn)行了拉伸試驗(yàn).結(jié)果表明，RSGB復(fù)合筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線為非線性；隨著鋼心含量的提升，復(fù)合筋的初始抗拉彈性模量會(huì)有所提高，并且延性也得到改善.

GFRP；鋼片；復(fù)合筋；力學(xué)性能

0 引 言

FRP筋(fiber reinforced polymer/plastic)因其強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)而備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，其中具有較高性價(jià)比的GFRP筋的耐久性問題也得到了廣泛的研究[1-3].隨著研究的不斷深入，人們也認(rèn)識(shí)到GFRP筋應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中的其他瓶頸問題，如彈性模量低、延性差等.

GFRP筋(glass fiber reinforced polymer/plastic)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線性，其混凝土結(jié)構(gòu)的失效形式為脆性破壞，破壞前無明顯征兆，結(jié)構(gòu)的安全性得不到保障.抗拉彈性模量低及延性差等問題是制約GFRP筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的兩個(gè)關(guān)鍵因素[4-6].盡管GFRP筋具有高強(qiáng)度、耐腐蝕的特性，但要將其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中，必須解決上述問題.針對(duì)FRP筋上述不足之處，相關(guān)學(xué)者提出了混雜纖維復(fù)合筋(HFRP筋)的概念[7-8]，通過將不同纖維混雜復(fù)合，以改善單一纖維FRP筋延性不足的缺陷.在HFRP筋的基礎(chǔ)上有學(xué)者進(jìn)一步提出了鋼心FRP的概念[9-12]，以混雜理論為基礎(chǔ)，結(jié)合纖維材料和鋼材的優(yōu)點(diǎn)，解決FRP筋模量低、延性差等問題，該類復(fù)合筋的關(guān)鍵是提高鋼心與FRP間的協(xié)調(diào)變形性能.由于樹脂與鋼心界面間的抗剪強(qiáng)度有限，在基于已有鋼心FRP復(fù)合筋的理論基礎(chǔ)上，通過采用薄鋼片的鋼心形式增大其與GFRP間界接觸面積，提高二者間的粘結(jié)性能，從而達(dá)到在復(fù)合筋拉伸過程中材料協(xié)調(diào)變形的目的.

1 徑向布置鋼片GFRP復(fù)合筋的制備

1.1 制備原理

在單向混雜FRP筋制備原理的基礎(chǔ)上，將薄鋼片作為復(fù)合筋的受力材料，以高模量的鋼心來替代高模量纖維.同時(shí)由于鋼心在受拉的過程中依次會(huì)出現(xiàn)彈性-屈服-強(qiáng)化三個(gè)階段.假設(shè)鋼心與FRP材料粘結(jié)性能良好，二者能夠協(xié)調(diào)變形，根據(jù)復(fù)合法則，可得到徑向布置鋼片GFRP復(fù)合筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.采用鋼材的簡化模型進(jìn)行計(jì)算，見圖1.

圖1 徑向布置鋼片GFRP復(fù)合筋應(yīng)力-應(yīng)變示意圖

1.2 構(gòu)造形式

在結(jié)合前述鋼心FRP復(fù)合筋的已有構(gòu)造形式及復(fù)合原理的基礎(chǔ)上，以提高鋼心與FRP材料的協(xié)同變形為主要原則，采用增大鋼心外表面積的方式，提出了徑向布置鋼片GFRP復(fù)合筋(radially arranged steel sheet reinforced composite GFRP Bars，RSGB復(fù)合筋)的構(gòu)想.具體構(gòu)造思路為

對(duì)于矩形薄鋼片：

Sa=nab；Ca=2n(a+b)

(1)

(2)

對(duì)于圓形鋼心：

Sc=mπr2；Cc=m2πr

(3)

(4)

式中：a,b為矩形截面寬、長；r為圓截面的半徑；n,m分別為矩形與圓形鋼心的數(shù)量.

當(dāng)m≤n時(shí)即鋼片數(shù)不低于圓形鋼心，由于ρa(bǔ)=ρc?Sa=Sca則有

(5)

可見當(dāng)薄鋼片數(shù)量不低于圓形鋼心時(shí)ωa≥ωc，即同等鋼心含量時(shí)，前者的表面積更大.但對(duì)于數(shù)量較多、尺寸較小的細(xì)鋼絲而言，大尺寸的薄鋼片表面積不一定大于鋼絲.但其較細(xì)鋼絲尺寸大能更好定位鋪設(shè)，鋼心與縱向纖維間的相互影響較小.可見在通過增大表面積的方式提高鋼心與GFRP材料間的粘結(jié)性能上，矩形薄鋼片具有較大的優(yōu)勢(shì).

2) 鋼心的布置 鋼心的布置遵循如下原則：①鋼心應(yīng)在筋材中均勻順直分布，以充分發(fā)揮鋼材性能及保證復(fù)合筋力學(xué)性能的穩(wěn)定；②復(fù)合筋的組合形式應(yīng)滿足拉擠成型工藝(布置形式簡潔)，方便工業(yè)化生產(chǎn)，確保拉擠成型的效果；③各階段受力過程中纖維或鋼心所受荷載應(yīng)均衡分布，以達(dá)到筋材失效時(shí)各材料的性能被充分利用的效果；④復(fù)合筋鋼心外層纖維材料應(yīng)具有一定厚度，以保障鋼心的耐腐蝕性及復(fù)合筋斷面的整體性.

結(jié)合上述原則及前述已有復(fù)合筋的方案，該復(fù)合筋橫斷面形式為鋼片徑向布置，并環(huán)向均勻分布于復(fù)合筋內(nèi)見圖2.復(fù)合筋縱斷面形式為鋼片與纖維縱向順直布置，以便充分發(fā)揮兩種材料的力學(xué)性能.均勻分布于復(fù)合筋內(nèi)的鋼片受力均衡，直接承受由相鄰纖維傳遞的荷載，降低鋼心由于受力不均而產(chǎn)生相對(duì)滑移；該布置形式可便于拉擠成型時(shí)鋼片的定位.圖2中兩種方案主要的區(qū)別是方案二較方案一鋼心外層由螺旋纖維層所包圍，方案二是對(duì)方案一的一種改進(jìn)，由于采用了較薄的鋼片，復(fù)合筋在受力過程中鋼片末端可能會(huì)對(duì)外層的縱向纖維產(chǎn)生劈裂的效果，為減弱這種不利效果，方案二鋼片末端的復(fù)合筋外層采用螺旋纖維層進(jìn)行包裹.同時(shí)借鑒目前GFRP筋在生產(chǎn)時(shí)表面處理方法，在復(fù)合筋成型后表面樹脂還未固化時(shí)采用浸膠后的GFRP纖維束對(duì)其表面進(jìn)行螺旋纏繞，并對(duì)復(fù)合筋表面進(jìn)行噴砂處理，以增強(qiáng)復(fù)合筋與混凝土間的粘結(jié)性.

圖2 徑向布置鋼片GFRP筋初步構(gòu)造方案

1.3 復(fù)合筋成型工藝

玻璃纖維復(fù)合筋拉擠成型工藝是將玻璃纖維在牽引設(shè)備的作用下，經(jīng)過浸膠、預(yù)成型、固化等工序而后成型，此過程可根據(jù)產(chǎn)品需求增設(shè)繞肋及噴砂等工序.傳統(tǒng)的FRP筋拉擠成型工藝僅需將所浸膠后的纖維牽引到預(yù)成型模具內(nèi)逐級(jí)成型，而后固化即可.而對(duì)于本文所研究的徑向布置鋼片GFRP復(fù)合筋，由于所采用的鋼心形狀及布置形式具有特殊性，需采用結(jié)合鋼心布置的預(yù)成型模具(見圖3).

圖3 復(fù)合筋預(yù)成型模具

2 RSGB復(fù)合筋力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及分組

考慮到現(xiàn)有普通鋼帶的加工技術(shù)及成本因素，試驗(yàn)薄鋼片采用304不銹鋼鋼帶，其厚度為1 mm、寬度6 mm，力學(xué)性能見表1.玻璃纖維為E-玻璃纖維，其表面偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑，具體性能見表2.粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂，根據(jù)《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》(GBT 2567—2008)測(cè)得的樹脂力學(xué)參數(shù)見表3.

表1 304鋼片力學(xué)性能

表2 玻璃纖維力學(xué)性能

表3 樹脂力學(xué)性能

復(fù)合筋直徑為18 mm，為保證筋材與錨具的粘結(jié)性能，對(duì)復(fù)合筋進(jìn)行加肋及噴砂處理，見圖4.結(jié)合鋼片尺寸、布置數(shù)量，以及復(fù)合筋的直徑，選取四組鋼心含量的復(fù)合筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)分組見表4.選取四組鋼心含量的復(fù)合筋進(jìn)行拉伸、剪切、和壓縮試驗(yàn)，研究復(fù)合筋成型效果及其力學(xué)性能在不同鋼心含量下的變化規(guī)律.

圖4 復(fù)合筋表面及斷面圖

編號(hào)直徑/mm鋼心含量/%鋼片數(shù)試件數(shù)量RSGB-018004RSGB-4189.444RSGB-61814.264RSGB-81818.984

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用武漢理工大學(xué)材料試驗(yàn)中心的SHT4106微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試系統(tǒng)采用電液伺服閉環(huán)控制方式，通過載荷、位移、應(yīng)變?nèi)齻€(gè)相互獨(dú)立并可轉(zhuǎn)換的控制模式分別對(duì)試樣施加預(yù)定的載荷.

試驗(yàn)采用位移加載，加載速率為2 mm/min，每種規(guī)格拉伸4根.開始加載前數(shù)據(jù)采集裝置開通數(shù)秒后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz.試驗(yàn)對(duì)于軸向拉伸采用電子引伸計(jì)進(jìn)行測(cè)量.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

拉伸試驗(yàn)對(duì)象共16根試件，試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)因試件與錨管間粘結(jié)強(qiáng)度不足而出現(xiàn)的試件滑移拔出現(xiàn)象，所有試件均為筋材破壞.在拉伸過程中，加載到極限荷載的40%左右時(shí)復(fù)合筋內(nèi)會(huì)發(fā)出細(xì)微的脆響，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的70%左右時(shí)部分纖維出現(xiàn)斷裂破壞，并且纖維的斷裂聲會(huì)增大而密集，最后出現(xiàn)幾聲悶響，試件發(fā)生破壞.復(fù)合筋破壞位置主要集中在試件中間，少數(shù)靠近錨固端.RSGB復(fù)合筋的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為纖維斷裂，鋼心完好，纖維斷裂處與鋼心脫離，外層纖維破壞形態(tài)主要為散射式，見圖5.未出現(xiàn)鋼片從復(fù)合筋拔出及滑移等現(xiàn)象，RSGB復(fù)合筋纖維破壞形態(tài)與GFRP區(qū)別不大.

圖5 RSGB復(fù)合筋拉伸破壞

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

RSGB復(fù)合筋拉伸試驗(yàn)筋數(shù)據(jù)見圖6～7.

圖6 RSGB復(fù)合筋彈性模量均值柱狀圖

圖7 RSGB復(fù)合筋抗拉強(qiáng)度均值柱狀圖

RSGB復(fù)合筋由于加入了彈性模量較高的鋼心，與GFRP筋相比初始彈性模量有明顯的提升，并隨鋼心含量的提升而提高，其中平均值最高為67.4 GPa，較GFRP提高了49.8%.而抗拉強(qiáng)度有所降低，主要是較GFRP筋鋼心抗拉強(qiáng)度較低，且其屈服后彈性模量下降較快并會(huì)低于GFRP，故復(fù)合筋破壞時(shí)抗拉強(qiáng)度較GFRP有所降低，并且鋼心含量越高其值越低，本試驗(yàn)中抗拉強(qiáng)度平均值最低為663.4 MPa，較GFRP下降17.0%.

RSGB復(fù)合筋拉伸試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖8～11.

圖8 RSGB-0應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 RSGB-4應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖10 RSGB-6應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖11 RSGB-8應(yīng)力-應(yīng)變曲線

各組試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線相差不大，復(fù)合筋的成型效果較好，力學(xué)性能穩(wěn)定，見圖12.應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律與不考慮滑移情況下的有限元計(jì)算所得理論值基本吻合，說明鋼片與GFRP間的粘結(jié)性能較好，協(xié)同變形性能良好.

圖12 RSGB復(fù)合筋平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖12可知，GFRP筋在拉伸的過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本為線形變化，無屈服現(xiàn)象，加入鋼心的RSGB復(fù)合筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，相比于GFRP筋其不再是線形變化，而呈現(xiàn)出一種非線性，起始階段呈“上凸?fàn)睢?，并且這一趨勢(shì)隨著復(fù)合筋中鋼心含量的上升而不斷提高.當(dāng)鋼心屈服后復(fù)合筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升趨勢(shì)明顯變緩，且鋼心含量越高其變緩趨勢(shì)越明顯，表現(xiàn)出一種屈服現(xiàn)象.通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線可觀察到與GFRP筋相比，RSGB復(fù)合筋具初始模量有明顯提高，并且隨著鋼心含量的上升而不斷增長，后期由于鋼心進(jìn)入塑性階段，彈性模量急劇下降，從而降低了復(fù)合筋的整體抗拉彈性模量.玻璃纖維斷裂后，荷載轉(zhuǎn)移至鋼心，鋼心會(huì)快速破壞失效.由于采用鋼心含量的有限，纖維斷裂后鋼心無法繼續(xù)承載，因而需進(jìn)一步提高鋼心含量及采用更高強(qiáng)度的鋼心.

4 結(jié) 論

1) 基于混雜理論研究了HFRP筋及鋼心FRP復(fù)合筋的制備原理，闡述了鋼心復(fù)合筋拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律.

2) 以提高鋼心與GFRP間協(xié)調(diào)變形為目的，通過增大鋼心與樹脂接觸面積的方法，首次提出了徑向布置鋼片形式的玻璃纖維復(fù)合筋，并對(duì)比了在同等鋼心含量下矩形薄鋼片與圓形鋼心的表面積大小，對(duì)于較薄的鋼片同等鋼心數(shù)量的情況下其表面積更大.

3) 拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示RSGB復(fù)合筋較GFRP筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了非線性，具有一定的延性，初始模量會(huì)隨鋼心含量的提升而提高，試驗(yàn)值與理論值基本吻合，復(fù)合筋成型效果較好，鋼心與GFRP粘結(jié)性能良好.

4) RSGB復(fù)合筋拉伸破壞形態(tài)主要為散射式破壞，未出現(xiàn)明顯的塊狀劈裂，鋼心末端對(duì)筋材劈裂效果不明顯.

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Experimental Study on Mechanical Properties of Radially Arranged Steel Sheet Reinforced Composite GFRP Bars

DONG Huajun1)HE Jia2)

(HubeiChangjiangRoad&BridgeCo.,LTD,Wuhan430000,China)1)(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443000,China)2)

GFRP reinforcement is believed to be able to partially replace the reinforcement in concrete structures, mainly because of its high strength and corrosion-resistant characteristics. However, the poor characteristics of modulus of elasticity and ductility of GFRP bars severely restrict its application in the structure. In order to solve this problem, the radially arranged steel sheet reinforced composite GFRP bar is developed. To improve the coordination between the steel core and GFRP, the idea of increasing the contact area between the steel core and the resin is adopted. In this paper, the radially arranged steel sheet reinforced composite GFRP bar is firstly presented. The tensile test results show that the stress-strain curve is nonlinear with ductility and the initial modulus of RSGB will be enhanced with steel core content increased.

GFRP; steel sheet; composite reinforcement; mechanical property

2017-02-09

TU377.9

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.022

董華均(1973—)：男，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槁访婀こ?、工程管?/p>