玻璃混杂纤维复合材料力学性能及其加固混凝土梁抗弯性能研究.pdf

２０１０年第４期玻璃钢／复合材料５３碳／玻璃混杂纤维复合材料力学性能及其加固混凝土梁抗弯性能研究陈颖，牛翠兵（１．广东理工职业学院，广州５１００９１；２．北京兴电国际工程管理公司，北京１０００４８）摘要：混杂纤维复合材料可以优化单一ＦＲＰ（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ）复合材料的性能，是未来ＦＲＰ复合材料发展的主导方向。本文试验研究了玻璃混杂纤维复合材料的直接拉伸性能，在材料性能研究的基础上，采用玻璃纤维混杂布对混凝土梁进行抗弯加固，并与单一碳纤维布加固梁进行了比较。结果表明，当纤维布层数相同时，碳／玻璃纤维混杂布加固梁的位移延性系数相比单一碳纤维布加固梁提高约９％，表明碳／玻璃混杂纤维复合材料可以显著改善单一碳纤维复合材料的延性。关键词：混杂；纤维增强聚合物；力学性能；抗弯性能；延性中图分类号：ＴＵ３７７．９文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１０）０４００５３０４目前，国内外在混凝土结构加固中使用较多的纤维片材为单一碳纤维布或者单一玻璃纤维布¨’Ｊ，但两种材料的优缺点均很明显，如碳纤维布的强度和弹性模量都很高，但是延性差和造价高；而玻璃纤维布价格便宜且延性好，但弹性模量较低。因此，本文试验研究了碳／玻璃混杂纤维复合材料的直接拉伸性能，并对混凝土梁进行了抗弯加固。结果表明，碳／玻璃混杂纤维布可以显著改善单一碳纤维布混凝土梁的延性。ｌ试验研究１．１材料性能试验采用的碳纤维布的厚度为０．１６５ｒａｍ，抗拉强度、弹性模量分别为４５３０ＭＰａ和２．５×１０ＭＰａ；玻璃纤维布的厚度为０．１７１ｍｍ，抗拉强度、弹性模量分别为３１００ＭＰａ和０．７８×１０ＭＰａ。１．２试件设计１．２．１直接拉伸试件试验设计的试件尺寸为：纤维布宽度为５０ｍｍ，净距为１５０ｍｍ，锚固长度为１５０ｒａｍ；锚具为１２０ｘ７０×６ｍｍ的长方体刻槽铁板，每个试件包含４个锚具，以确保试件对中。试件的铺层形式及参数详见表１。表１试件铺层形式及参数１．２．２混凝土梁试件本次试验设计了５根矩形截面钢筋混凝土梁，Ｉ根为钢筋混凝土标准梁，其余４根梁采用不同的纤维布进行加固。梁长２３００ｍｍ，宽１２０ｍｍ，高１８０ｍｍ，净跨２１００ｍｍ。纵向受拉钢筋均为２６１２（ＨＲＢ３３５），屈服强度为３６５ＭＰａ，弹性模量为２．０５×１０ＭＰａ，纵向钢筋配筋率为１．０５％。箍筋采用直径为４ｍｍ的８铁丝，间距为６０ｍｍ，屈服强度为３０６ＭＰａ，弹性模量为２．０１×１０ＭＰａ。架立筋为２，Ｉ，６钢筋（ＨＰＢ２３５）。试验梁的几何尺寸、配筋及加载方式如图１所示。所有试件的混凝土均按同一配合比制作，设计等级为Ｃ２５，实测立方体强度为２８．９ＭＰａ。ＰＰ｜２ｌｌ２６厦Ｉ四ｔ１０ｑＩ２ＱＱＩ２ＱＩ！—ｌｌ１００１２０ｌ堑Ｉ图１试件参数与配筋图和收稿日期：２００９－０２－２３作者简介：陈颖（１９７４－），讲师，主要从事混凝土性能及混凝土结构施工等方面的研究。＿ｔＦＲ王ｌ／ＣＭ鍪麓２Ｏｌ０－ｒＤ．４…５４碳／玻璃混杂纤维复合材料力学性能及其加固混凝土梁抗弯性能研究为了防止混杂ＦＲＰ布在梁端发生早期脱粘破坏，在混杂ＦＲＰ布加固梁的梁端粘贴两道ｌＯＯｍｍ宽的碳纤维布Ｕ形箍，层数为１层。试验梁的编号及加固参数详见表２。表２试验梁加固参数１．３试验方法１．３．１单轴拉伸试验拉伸试验采用ＭＴＳ８１０材料实验机，加载机制为位移控制。试验采集的数据包括时间、承载力、荷载．变形曲线，所有数据使用计算机数采系统采集。１．３．２抗弯性能试验抗弯性能试验采用四点弯曲试验，试验量测主要有承载力、荷载．挠度曲线、受拉纵筋的应变、跨中截面混凝土应变。为了测量梁底纤维布应变分布、发展情况，在梁底纤维布上粘贴一系列应变片。试验数据使用ＩＭＰ数采系统采集，人工测绘裂缝。２试验结果及讨论２．１直接拉伸性能２．１．１破坏形态ＦＲＰ复合材料拉伸试件随纤维种类、碳纤维相对体积含量和铺层方式的不同，表现出不同的单轴①拉伸性能，在试验中破坏模式分为两种：完全脆性②“”断裂模式；扫帚形层间破坏模式。试件２ｃ、３ｃ破坏时，碳纤维突然断裂，断裂的碳纤维释放出的巨大能量将两侧碳纤维扯成碎片向四周飞溅，完全脆性断裂。试件ＣＧ、２ＣＧ破坏时，碳纤维首先破坏，最终使延伸好的玻璃纤维逐渐被拔出而导致试件卸“”载，外观如扫帚形状。２．１．２试验结果分析混杂ＦＲＰ复合材料单轴拉伸试验结果列于表①３。由表３可知：拉伸弹性模量随碳纤维相对体积②含量的增大而增加，基本上成线性关系；拉伸强度与碳纤维相对体积含量成非线性关系，先随碳纤维ＦＲＰ／ＥＭ２０１０Ｎ￣４相对体积含量的增加而降低，到一个临界值后又随③着碳纤维相对体积含量的增加而增加；混杂复合材料的断裂延伸率均高于单一碳纤维复合材料的延伸率，且随着碳纤维相对体积含量的增加，断裂延伸率逐渐减小。表３直接拉伸试验结果２．１．３混杂效应系数混杂效应是指某些性能偏离混合定律计算结果的现象，它是造成混杂ＦＲＰ复合材料优异综合性能的根本原因。混杂效应大小一般用混杂效应系数Ｒ来衡量，为低延性碳纤维断裂伸长的比值：：（１）。式中，ｏ￣Ｈｙ为混杂ＦＲＰ复合材料的断裂延伸率；ｓ为低延性碳纤维复合材料的断裂延伸率。由表３可知：ＣＧ的混杂效用优于２ＣＧ，这主要与碳纤维的含量有关。２．２混杂ＦＲＰ加固梁抗弯性能２．２．１破坏形态人工测绘的试件裂缝图如图２所示。由图２（ａ）可知，标准梁Ｂ０是典型的适筋梁破坏梁。纤维布加固梁随纤维布种类和层数的不同，表现出不同的①抗夸Ｉ生能，在试验中破坏形态分为两种：纤维布局部②剥离，受压区混凝土压碎，如梁２ＣＢ、３ＣＢ、２ＣＧＢ；受压区混凝土压碎，纤维布完好，如梁ＣＧＢ。．１ｉ——．一——＿Ｊ－————一上盐照龟咀五三￣＿ＣＧＢＩＪＬ￡－Ｉ－二＝＝］（ｃ）ＣＧＢ乙—丝垃ｋ丝（ｄ）３ＣＢ．－Ｌ。—每△丘上垃缸（ｅ）２ＣＧＢ图２梁破坏形态图２．２．２试验结果试验结果列于表４中，表中Ｐ为竖向荷载，６为跨中挠度。极限状态指试件破坏（或试验结束）时的状态。２０１０年第４期玻璃钢／复合材料５５表４承载力－，与挠度试验结果（１）承载力由表４可知，与标准梁Ｂ０相比，两层纤维布加固梁２ＣＢ、ＣＧＢ的开裂、屈服、峰值、极限荷载分别提高了１９％～３９％、２３％～３５％、５１％～５８％和５０％～５９％；三层纤维布加固梁３ＣＢ、２ＣＧＢ的开裂、屈服、峰值、极限荷载则分别提高了４０％～４４％、３８％～４５％、８５％～８９％和８９％一９３％。表明随着纤维布层数的增加，加固梁的承载力明显提高。在相同纤维布层数条件下，混杂纤维布加固梁ＣＧＢ相比单一碳纤维布加固梁２ＣＢ的开裂、屈服、峰值、极限荷载分别降低了１４％、９％、４％和６％；与单一碳纤维布加固梁３ＣＢ相比，混杂纤维布加固梁２ＣＧＢ的开裂、屈服、峰值、极限荷载分别降低了３％、５％、２％和２％。表明混杂纤维布加固梁的承载力低于单一碳纤维布加固梁，这是由于碳纤维含量降低的原因。（２）荷载－挠度曲线各试件的荷载．挠度曲线如图３所示。５０２０图３荷载一挠度曲线由图３可知，对于加固梁而言，无论纤维布层数多少和混杂方式如何，当荷载较小时，其截面弯矩由受压区混凝土和受拉区混凝土、钢筋及纤维布共同承担，纤维布的加固效果并未明显发挥出来，加固梁的跨中位移和基准梁基本相同，即其初始刚度基本相同；随着荷载的增加，受拉区混凝土开裂后退出工作，拉力由纤维布和梁底纵筋共同承担，布的加固作用开始明显发挥出来，从而导致加固梁的刚度增加；随着纤维布层数的增多，梁的刚度相应增大，且高强、高弹模碳纤维含量越大，梁的刚度增加幅度越大。（３）延性对于混凝土构件，延性系数的定义迄今没有统一的定论。按不同定义得到的延性指标显然不同，这一直被认为是延性设计理论中的一个缺陷５Ｉ。一般采用位移延性系数／．ｔ＝８ｕ／８，，各试件延性系数①值列于表４。由表４可知，与普通钢筋混凝土梁②Ｂ０相比，纤维布加固梁的延性降低；当纤维布层数相同时，碳／玻璃混杂纤维布加固梁ＣＧＢ、２ＣＧＢ的位移延性系数相比相应的单一碳纤维布加固梁２ＣＢ、３ＣＢ分别提高了１２％和７％。这表明碳／玻璃纤—维混杂布加固梁的延性显著优于单碳纤维加固梁。（４）纤维布局部剥离由试验观察可知，纤维布局部剥离是ＦＲＰ加固梁的一个重要破坏模式，图４显示了梁底纤维布应变分布、发展情况。７０００６０００５０００４ｏ００忙３０００冀２ｏ０ｏ１００００望据蒜兰括蝌蜒虹距中点位置／ｅｒａ（ｂ）ＣＧＢ距中点位置／ｅｒａ（ｄ）２ＣＧＢ图４不同荷载下纤维布的应变分布：ＦＲＰ／ｅＭ２０１０Ｎｏ４ｊ５６碳／玻璃混杂纤维复合材料力学性能及其加固混凝土梁抗弯性能研究２０１０年７月梁ＣＧＢ没有纤维布剥离现象发生，因此纤维布的应变按照弯矩大小规律分布，如图４（ｂ）所示。由图４（ａ）、图４（ｄ）可知，荷载较大时，梁２ＣＢ、２ＣＧＢ的纤维布应变分布不规律，表明纤维布发生了局部剥离现象，而梁３ＣＢ的纤维布应变在不同荷载下，纯弯段应变一直相等，但端部应变显著增大，如图４（ｅ）所示，说明ＣＦＲＰ布产生了端部滑移，导致梁３ＣＢ梁的延性提高。３结论（１）单一碳纤维复合材料破坏时，碳纤维被扯成碎片向四周飞溅，表现为完全的脆性破坏；（２）碳／玻璃混杂复合材料均表现出良好的混杂效应；（３）在相同纤维布层数条件下，碳／玻璃混杂纤维布加固梁的开裂、屈服、峰值、极限荷载相比单一碳纤维布加固梁分别降低了３％～１４％、５％～９％、２％～４％、２％～６％，这主要与碳纤维含量有关；（４）碳／玻璃混杂纤维布加固梁的位移延性系数比单一碳纤维布加固梁提高约９％。参考文献———［１］ｗｕＺｈｉｓｈｅｎ，ＮＩＵＨｅｄｏｎｇ．ＲｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎＦＲＰｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ａ］．Ｔｈｅ３ｔｈＣｈｉｎａＦＲＰＡｃａｄｅｍｉｃＴｈｅｓｉｓＡｌｂｕｍ［ｃ］，Ｎａｎｊｉｎｇ：Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，２００４，１－８．［２］金文谦，梁缘，吴小军等．碳／玻混杂纤维筋混凝土梁抗弯性能的有限元分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，（６）：３７４０．［３］叶列平，冯鹏．ＦＲＰ在工程结构中的应用与发展［Ｊ］．土木工程学报，２００６，（６）：３７４０．［４］张梅．单向芳纶／玻璃纤维混杂复合材料板材拉伸性能研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００７，（６）：３７４０．［５］王全凤，杨勇新，岳清瑞．ＦＲＰ复合材料及其在土木工程中的应用研究［Ｊ］．华侨大学学报，２００５，２６（１）：１．［６］袁辉，陈浩森，赵启林．混杂纤维增强复合材料梁挠度计算理论研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００７，（４）：３５－３７．［７］朱梦君，刘宏伟．纤维增强复合材料（ＦＲＰ）的研究与应用［Ｊ］．淮海工程学院学报，２００２，１１（３）：６４－６７．［８］张用兵，史俊虎，王利．混杂复合材料［Ｍ］．ｊＥ京：北京航空航天大学出版社，１９８９．［９］宋焕成，张佐光．混杂复合材料［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，１９８９．［１０］李杰，薛元德．ＦＲＰ管混凝土组合结构试验研究［Ｊ］．玻璃钢／—复合材料，２００４，（６）：７１Ｏ．［１１］袁华，薛元德，梁中全．混杂ＦＲＰ管约束混凝土组合梁的研究Ｉ：抗弯性能研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００４，（２）：２５－２８．［１２］杨建中，熊光晶等．高强玻璃纤维／碳纤维混杂复合材料加固混凝土梁的抗弯试验研究［Ｊ］．土木工程学报，２００４，３７（７）：１８＿２２．［１３］熊光晶，蒋小青，杨建中等．高强玻璃纤维布碳纤维布混杂加固混凝土梁柱的试验研究［Ｊ］．工业建筑，２００１，３３（９）：ｌ４一ｌ６．［１４］ｗｕＺｈｉｓｈｅｎ，ＬｉＷｅｎｘｉａｏ，ＮａｏｋｉＳａｋｕｍａ．ＩｎｎｏｖａｔｉｖｅｅｘｔｅｒｎａｌｌｙｂｏｎｄｅｄＦＲＰ／ｅｏｎｃｒｅｔｅｈｙｂｒｉｄｆｌｅｘｕｒａｌｍｅｍｂｅｒｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００６，７２（３）：２８９－３００．［１５］王文炜，盛波，李果．玻璃纤维布加固的钢筋混凝土梁延性分析［Ｊ］．东南大学学报，２００５，３５（４）：５６９－５７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