（水工结构工程专业论文）纤维增强塑料筋混凝土梁正截面受力性能研究.pdf

料筋混凝土梁受弯承载力的计算方法。 3 试验研究表明，纤维增强塑料筋混凝土受弯构件的荷载一挠度曲线以 截面初裂为界限点分为两个线形阶段。正截面开裂前，荷载一挠度曲线基本 为线性，截面刚度较大；正截面开裂时，裂缝先在纯弯段出现，荷载一挠度 曲线出现转折点，随着荷载的增加，纯弯段正裂缝的发展以及剪跨段斜裂 缝的产生并向梁的受压区加荷点发展，使梁的刚度较截面开裂前减少，荷 载一挠度曲线也基本为线性盲到梁破坏。本文存试验研究的基础卜，探讨了 纤维增强塑料筋混凝土梁的非线形全过程数值分析方法，用计算机模拟了 试验梁的跨中荷载一挠度关系曲线，并用试验数据进行了验证，实现了用计 算机模拟纤维增强塑料筋混凝土梁试验。在数值计算的基础上，通过混凝 土受压应力应变关系和混凝土受压区应力分布的简化，建立了纤维增强塑 料筋混凝土梁非线形全过程数值分析的简化方法，包括弯矩一曲率关系及荷 载一挠度关系的简化公式。经过与试验结果的分析对比，本文方法的合理性 和可行性得到了验证。 4 根据试验研究结果，分析了纤维增强塑料筋混凝土梁挠度的特点， 按照刚度解析法的原理，结合纤维增强塑料筋的特性，探讨了纤维增强塑 料筋混凝土梁截面刚度的计算方法，引入了反映纤维增强塑料筋弹性模量 以及与混凝土之间粘结性能对短期刚度的影响系数口，初步建立了与钢筋 混凝土梁计算方法相衔接的纤维增强塑料筋混凝土梁截面刚度的计算公 式。经与试验结果的对比分析，得到i s o r o d 筋混凝土梁的口值为1 2 2 6 。 5 根据纤维增强塑料筋及其混凝土梁的力学性能，建立了纤维增强塑 料筋混凝土梁达到纤维增强塑料筋名义屈服强度的截面曲率和梁最终破坏 的截面曲率的表达式。以此为基础，探讨了纤维增强塑料筋混凝土梁截面 曲率延性的计算方法，给出了纤维增强塑料筋混凝土梁截面曲率延性系数 的两种计算公式。按照这两种计算方法计算的纤维增强塑料筋混凝土梁截 面曲率延性系数值分别为1 2 5 和1 4 l 。 本文的研究工作是修订我国钢纤维混凝土结构设计与施工规程的 内容之一，提出的计算方法和有关公式将列入纤维混凝土技术规程。j 关键词：纤维增强塑料筋( f r p 筋) ；混凝土；梁；抗裂度；抗弯承载力； 数值分析；刚度：挠度；延性 a b s t r a c t f i b e rr e i n f o r c e d p l a s t i cr e b a r ( f r p ) i s an e w c o m p o s i t e ，w h i c h i s c o m p o s e do f f i b e ra c t i n ga sr e i n f o r c e dm a t e r i a l ，s y n t h e t i cr e s i na c t i n ga sm a t r i x ， a n ds o m e a d e q u a t ea u x i l i a r i e s ，a n di sf o r m e dt h r o u g hap u l t r u s i o np r o c e s sa n d n e c e s s a r ys u r f a c ep r o c e s s i th a s ah i g hs t r e n g t ht o w e i g h tr a t i o ，e x c e l l e n t n o n c o r r o s i v ec h a r a c t e r i s t i c ，f a t i g u e - r e s i s t a n tc h a r a c t e r i s t i c ，s t r o n gd e s i g n a b i l i t y a n dm a g n e t i cn e u t r a l i t y , s oi tc a nb eu s e di nt h e a p p l i c a t i o n s w i t h s p e c i a l p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s o rw h e r er e i n f o r c i n gb a r sa r es u b j e c t e dt os e v e r e c h e m i c a la t t a c k f o re x a m p l e f r pr e i n f o r c e dc o n c r e t ei su s e dt o s u p p o r to r s u r r o u n dm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ( m r j ) m e d i c a le q u i p m e n t ，a n df r pi s a l s ou s e df o rt h ec o n s t r u c t i o n so fs o m es e a w a l l s ，i n d u s t r i a lr o o fd e c k s ，b a s ep a d s f o re l e c t r i c a la n dr e a c t o re q u i p m e n t ，a n c h o ri nr o c ka n dg r o u n de n g i n e e r i n ga n d c o n c r e t ef l o o rs l a b si na g g r e s s i v ec h e m i c a le n v i r o n m e n t s i no r d e rt op r o m o t e t h ew i d e u s a g e o ff r pa n df r pr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e s f i n a n c e d c o o p e r a t i v e l yb yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( i t e m ：t h er e s e a r c ho n m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ff r pr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mr e i n f o r c e d ；n u m b e r ： 5 9 9 7 8 0 4 6 ) a n dh e n a ni l l u s t r i o u sy o u t h s c i e n c ef o u n d a t i o n ，c o n n e c t e dw i t ht h e a n a l y s i sm e t h o d s o fm o d e ms t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e ，t h et h e s i sf u r t h e r s t u d i e st h ef l e x u r a lp e r f o r m a n c eo ff r pr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mt h r o u g ht h e s y s t e m a t i cs t u d y o n e x p e r i m e n t a l d a t a g o t f r o mt h i sk i n do f b e a m s ， s y s t e m a t i c a l l y e s t a b l i s h e st h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i n gs y s t e m o ft h ef l e x u r a l p e r f o r m a n c e o ff r pr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mi n c o o p e r a t i o n w i t ht h e u p - t o d a t ea n a l y t i c a lm e t h o d sf o rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，w h i c hs u i t st h ep r o p e r t i e s o f f r pt h em a i na c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ee f f e c to ft h ef r pr e i n f o r c e m e n tr a t i oo n c r a c k i n g m o m e n ti s a n a l y z e d t h ec a l c u l a t i n gm e t h o da n dc o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i n g f o r m u l a so f f l e x u r a lc r a c k i n gm o m e n to ff r pr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a ma r ep n tf o r w a r d t h e c a l c u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep l a s t i cc o e f f i c i e n to f f r pr e i n f o r c e dc o n c r e t e b e a m i sa b o u a t 】4 2 t h ee r i e c to ff i g ”r e i n f o r c e m e n tr a t i oo nt h eu l t i m a t em o m e n to ff r p r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mi ss t u d i e d ，t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h eu l t i m a t em o m e n t i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h er e i n f o r c e m e n tr a t i o f o rf r pr e i n f o r e e d c o n c r e t eb e a mi nac e r t a i nr a n g eo fr e i n f o r c e m e n tr a t i o i nt e r m so fs t r e n g t ha n d d u c t i l i t y , t h ec o n c e p to fs p e c i f i e dy i e l dp o i n t i s p u tf o r w a r d b a s e d o nt h e p r i n c i p l e t h a tu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ( t h a ti s ，t h es i z eo fc r o s ss e c t i o n ， m a t e r i a ls t r e n g t ha n dr e i n f o r c e m e n tr a t i oa r ei d e n t i c a l ) t h er e s u l t a n tu l t i m a t e m o m e n tm u s tb ei d e n t i c a l t h ec o m p r e s s i o nf a i l u r eo ff r pr e i n f o r c e dc o n c r e t e b e a mi se q u a lt ot h et e n s i o nf a i l u r ef o rt h ev i e w p o i n to fd e s i g na n dc a l c u l a t i o n t h e nt h ec a p a c i t yr e d u c t i o nf a c t o r ，o ff r pt h a ti se q u a lt oo 7i ss u g g e s t e d t h o u g ht h e c a l c u l a t i o nb a s e do nt h et e s tr e s u l t s t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do f u l t i m a t em o m e n to ff r pr e i n f o r e e dc o n c r e t eb e a mi sp u tf o r w a r d ，w h i c hi s s u i t a b l et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r pa n dc o r r e s p o n d e n tw i t ht h ec u r r e n td e s i g n c o d e i nc h i n a 3 t h et e s ts t u d yi n d i c a t e st h a tt h el o a d d e f l e c t i o nc u r v e so f f r pr e i n f o r e e d c o n c r e t eb e a m sr e i n f o r c e dc a l lb ed i v i d e di n t ot w ol i n e a r s t a g e st h r o u g ht h e b o u n d a r yp o i n t o fi n i t i a l c r a c k i n g b e f o r e t h en o r m a ls e c t i o n c r a c k s ，t h e l o a d d e f l e c t i o nc u r v ei sb a s i c a l l yl i n e a ra n dt h er i g i d i t yo ft h eb e a mi sl a r g e r a s s o o na st h en o r m a ls e c t i o nc r a c k s ，t h ec r a c kf i r s t l ya p p e a r si nt h ef l e x u r a lr e g i o n a tt h i sm o m e n t ，t h el o a d d e f l e c t i o nc u r v eh a sa t u r n i n gp o i n t w i t ht h ei n c r e a s e o ft h el o a d t h e r i g i d i t y o ft h eb e a md e c r e a s e sc o m p a r e dw i t ht h a tb e f o r e c r a c k i n g b e c a u s eo ft h e d e v e l o p m e n to fc r a c k s i nf l e x u r a l r e g i o n ，a n d t h e f o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to fd i a g o n a lc r a c k st o w a r dt h el o a d i n gp o i n t ，t h e l o a d - d e f l e c t i o nc u r v ei s b a s i c a l l yl i n e a r t i l lt h eb e a mf a i l s b a s e d u p o nt h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，t h en o n l i n e a ra n dw h o l e p r o c e s sn u m e r i c a la n a l y t i c a lm e t h o d o ff r pr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m si s e x p l o r e d t h ee x p e r i m e n t a l c u r v eo f l o a d - d e f l e c t i o ni si m i t a t e dt h r o u g hc o m p u t e ra n dc o m p a r e dw i t ht h er e l e v a n t d a t af r o mt h et e s t t h ei m i t a t i o nf o re x p e r i m e n t so ff r pr e i n f o r c e dc o n c r e t e b e a mb yc o m p u t e ri sr e a l i z e d b a s e do nn o n l i n e a rn u m e r i c a la n a l y s i s ，t h r o u g h t h es i m p l i f i c a t i o nf o rt h es t r e s s s t r a i nc u r v eo fc o n c r e t ei uc o m p r e s s i o na n dt h e i i s t r e s sd i s t r i b u t i o no fc o n c r e t ei nc o m p r e s s i v er e g i o n ，t h i st h e s i se s t a b l i s h e st h e s i m p l i f i e dm e t h o do fw h o l ep r o c e s sn u m e r i c a la n a l y s i s f o rf r pr e i n f o r e e d c o n c r e t eb e a m s i nc o m p a r i s o nt ot h et e s tr e s u l t s ，t h er a t i o n a l i t ya n du s a b i l i t yo f t h em e t h o di nt h et h e s i sa r et e s t e d 4 a c c o r d i n g t ot h et e s tr e s u l t s ，t h ed e f l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i co ff r p r e i n f o r c ec o n c r e t eb e a mi s a n a l y z e d f r o mt h ep r i n c i p l eo fr i g i d i t ya n a l y t i c m e t h o d ，i nc o o p e r a t i o nw i t ht h ep r o p e r t i e so ff r p , t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do f r i g i d i t y o ff r pr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mi sd i s c u s s e d ，ac o e f f i c i e n tai s i n t r o d u c e dt or e f l e c tt h ee f f e c to fe l a s t i cm o d u l u so ff r pa n db o n dp e r f o r m a n c e b e t w e e nc o n c r e t ea n df r po nr i g i d i t y , c a l c u l a t i n gf o r m u l a sf o rt h er i g i d i t yo f f r pr e i n f o r e e dc o n c r e t eb e a mw h i c ha r ec o o r d i n a t e dw i t ht h o s eo fr e i n f o r c e d s t r u c t u r ea r ef o r m e di n i t i a l l y a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o na n a l y s i so ft e s t r e s u l t s ，t h ev a l u e 1 2 2 6 o faf o ri s o r o df r pr e i n f o r e e db e a m si so b t a i n e d 5 b a s e do nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ff r pa n dc o n c r e t eb e a m ，t h e e x p r e s s i o n so fc r o s ss e c t i o nc u r v a t u r ea ts p e c i f i e dy i e l dp o i n to ff r p a n da t f a i l u r eo fb e a ma r ee s t a b l i s h e d o nt h i sb a s i s ，t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fc r o s s s e c t i o n a ld u c t i l i t yi ss t u d i e d a n dt w ok i n d so f c a l c u l a t i n gf o r m u l a sf o rc u r v a t u r e d u c t i l i t yc o e f f i c i e n ta r ep u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h i st w om e t h o d s ，t h ev a l u e s o fc u r v a t u r ed u c t i l i t yc o e f f i c i e n t ，1 2 5a n d1 41 ，a r eg o tr e s p e c t i v e l y t h er e s e a r c hi nt h et h e s i si so n eo fr e v i s i o nc o n t e n t sf o r i nc h i n a c a l c u l a t i n gm e t h o d sa n d r e l e v a n tf o r m u l a st h a ta r ep u tf o r w a r di nt h et h e s i sw i l l b e p u ti n t o k e y w o r d s ：c o m p o s i t e ；f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i cr e b a r ( f r p ) ；c o n c r e t e ；b e a m c r a c k i n gm o m e n t ；u l t i m a t em o m e n t ；n u m e r i c a la n a l y s i s ；r i g i d i t y ；d e f l e c t i o n d u c t i l i t y i i i 第一章绪论 摘要：本章详细介绍了纤维增强塑料筋( f i b e rr e i n f c r c e dp l a s t i cr e b a r ， 简称f r p 筋) 在国内外的发展和应用概况及其基本物理力学性能，阐述了 研究纤维增强塑料筋增强混凝土的目的和意义。在指出了目前的纤维增强 塑料筋及其混凝土构件力学性能研究中存在问题的基础上，提出了本文的 辛要研究内容。 关键词：复合材料：纤维增强塑料筋( f i p 筋) ：基本物理力学性能 1 1 纤维增强塑料筋简介 1 1 1 纤维增强塑料筋的提出 混凝土结构一般都是以钢筋为增强材料。钢筋由p h 值在1 1 1 3 之间 的碱性混凝土保护，使钢筋混凝土结构具有一定的适用性和耐久性。但是 暴露在侵蚀性环境下的钢筋混凝土结构( 例如用除冰盐处理的桥、海边建 筑物、某些化工厂房) ，在湿度、温度、二氧化碳气体、氯离子的作用下， 混凝土的逐渐中性化使钢筋腐蚀，最终导致混凝土结构破坏。 据国外资料介绍，美国每年因钢筋腐蚀造成的损失高达7 0 0 亿美元。 据美国有关部门统计，5 0 年代前建造的桥梁大部分因钢筋腐蚀破坏严重。 目前美国的近6 0 万座桥梁中，有近1 0 万座钢筋腐蚀严重。英国建造在海 洋及含氯化物介质的环境中的钢筋混凝土结构，因钢筋锈蚀需要重建或更 换钢筋的占三分之一以上。在日本，由于较多地区采用海砂作为混凝土中 的细骨料，钢筋锈蚀成为严重问题。对冲绳地区1 7 7 座桥梁和6 7 2 栋房屋 的调查表明，桥面板和混凝土梁的损坏率达到9 0 以上，校舍一类民用建 筑的损坏率也在4 0 以上。我国在1 9 8 1 年对华南1 8 座钢筋混凝土码头的 调查表明，尽管使用期仅7 1 5 年，但有1 6 座码头的钢筋严重锈蚀。1 9 8 4 年对浙江镇海的2 2 座中小型海工建筑物的调查表明，9 6 7 根构件中由于钢 筋锈蚀导致顺筋丌裂破坏的有5 3 8 根，占构件总数的5 6 。我国既有混凝 二e 桥梁结构和其它工程结构目前也出现了大量劣损并面临着维修和加固费 用急剧增长的状况。据有关统计资料显示，仅公路方面就有5 0 0 0 多座危桥， 全长约1 3 万延米；铁路主要干线上有各种混凝土桥9 0 0 0 0 余孔，混凝土桥 第一章绪论 摘要：本章详细介绍了纤维增强塑料筋( f i b e rr e i n f c r c e dp l a s t i cr e b a r ， 简称f r p 筋) 在国内外的发展和应用概况及其基本物理力学性能，阐述了 研究纤维增强塑料筋增强混凝土的目的和意义。在指出了目前的纤维增强 塑料筋及其混凝土构件力学性能研究中存在问题的基础上，提出了本文的 辛要研究内容。 关键词：复合材料：纤维增强塑料筋( f i p 筋) ：基本物理力学性能 1 1 纤维增强塑料筋简介 1 1 1 纤维增强塑料筋的提出 混凝土结构一般都是以钢筋为增强材料。钢筋由p h 值在1 1 1 3 之间 的碱性混凝土保护，使钢筋混凝土结构具有一定的适用性和耐久性。但是 暴露在侵蚀性环境下的钢筋混凝土结构( 例如用除冰盐处理的桥、海边建 筑物、某些化工厂房) ，在湿度、温度、二氧化碳气体、氯离子的作用下， 混凝土的逐渐中性化使钢筋腐蚀，最终导致混凝土结构破坏。 据国外资料介绍，美国每年因钢筋腐蚀造成的损失高达7 0 0 亿美元。 据美国有关部门统计，5 0 年代前建造的桥梁大部分因钢筋腐蚀破坏严重。 目前美国的近6 0 万座桥梁中，有近1 0 万座钢筋腐蚀严重。英国建造在海 洋及含氯化物介质的环境中的钢筋混凝土结构，因钢筋锈蚀需要重建或更 换钢筋的占三分之一以上。在日本，由于较多地区采用海砂作为混凝土中 的细骨料，钢筋锈蚀成为严重问题。对冲绳地区1 7 7 座桥梁和6 7 2 栋房屋 的调查表明，桥面板和混凝土梁的损坏率达到9 0 以上，校舍一类民用建 筑的损坏率也在4 0 以上。我国在1 9 8 1 年对华南1 8 座钢筋混凝土码头的 调查表明，尽管使用期仅7 1 5 年，但有1 6 座码头的钢筋严重锈蚀。1 9 8 4 年对浙江镇海的2 2 座中小型海工建筑物的调查表明，9 6 7 根构件中由于钢 筋锈蚀导致顺筋丌裂破坏的有5 3 8 根，占构件总数的5 6 。我国既有混凝 二e 桥梁结构和其它工程结构目前也出现了大量劣损并面临着维修和加固费 用急剧增长的状况。据有关统计资料显示，仅公路方面就有5 0 0 0 多座危桥， 全长约1 3 万延米；铁路主要干线上有各种混凝土桥9 0 0 0 0 余孔，混凝土桥 梁的总延长占全部桥梁总延长的9 0 ，其中使用年限最长的达9 0 年。随着 服役期的增长，加之铁路运量的不断加大，铁路混凝土桥梁的病害会更加 严重。铁路部门1 9 9 4 年秋检统计表明，我国国有运营铁路有病害的混凝土 桥2 6 7 5 座，混凝土梁裂损7 2 2 座1 9 9 6 孔：到2 0 0 0 年我国至少已有5 0 g 7 2 3 4 亿平方米的建筑物因结构安全度过低而面临退役的威胁。 由于钢筋腐蚀造成危害的严重性，人们对钢筋腐蚀现象的认识以及为 此进行的科学研究、技术开发讵存逐步深入。早存十世纪六十年代，专 家们己开始寻求保护钢筋的方法l ”。例如，在钢筋表面电镀一种保护膜是其 中的方法之一。由于许多原因这种方法很快失去了作用，主要是因为钢筋 与锌基保护膜之间的电解降低了抗腐蚀作用。 二十世纪六十年代后期，一些商业公司开发了静电喷射熔粘( 粉末状 树脂) 保护膜技术，并将该技术用在钢制油管和天然气管道上。二十世纪 七十年代早期，美国的公路管理部门斥资对五十多种钢筋保护膜进行了研 究和评价。为了克服已有钢筋保护膜的不足，提出了使用环氧树脂作为钢 筋保护膜的新概念。 实际上，在混凝土中使用树脂的研究开始于二十世纪六十年代后期的 聚合物浸渍混凝土的研究。不利的是，钢筋与聚合物混凝土由于不同的热 性能影响了钢筋聚合物混凝土的研究和应用。这种情况促使人们研制纤维 增强塑料筋的信念，北美的m a r s h a l l v e g a ( 后来改名为v e g a 技术公司，现 在又重组为m a r s h a l l v e g a 公司) 制造了一种玻璃纤维增强塑料筋，这种合 成的复合筋可以用来增强聚合物混凝土。 尽管在混凝土中应用纤维增强塑料筋的研究很早就开始了，但对这种 纤维增强塑料筋在混凝土中的商业化应用直到二十世纪七十年代后期才得 到认可。为了确定这种复合材料筋是否是对环氧树脂保护膜钢筋的改进， 国外也进行了大量的认真细致的比较研究。二十世纪八十年代早期，北美 的另一家拉挤产品生产公司国际格材生产公司，认识到这种产品的开 发潜力也进入了纤维增强塑料复合建筑材料行业。与此同时，日本、欧洲 等对纤维增强塑料复合建筑材料( 如筋材、板材、格栅材等) 的研究、开 发与应用蓬勃开展。 二十世纪八十年代以来，纤维增强塑料筋在有特殊性能要求和钢筋易 受到化学因素侵蚀的应用领域的需求逐渐提高。例如，纤维增强塑料筋应 用于支撑和围绕磁共振成像医疗设备的混凝上中。对于这些结构是不能使 用传统钢筋的，结构设计人员可以选择玻璃纤维增强塑料筋替代无磁性不 锈钢。纤维增强塑料筋将分别在海堤、工业顶棚、电设备及反应设备的基 摩、侵蚀性化学环境中混凝土板的建设中应用广泛。 1 1 2 纤维增强塑料筋的组成与生产工艺 i 吲tj 曾强塑料筋烛以纤维为增强制料，以合s , t f x j 脂为丛体倒料，井掺入 适量辅助剂( 如交联单体、引发剂、促进剂、蚀变剂、阻燃剂、阴聚剂，填 料、颜料等) 经拉挤成型技术和必要的表面处理形成的一种新型复合材料， 具有比强度高、刑腐蚀性能好、可设计性强、抗疲劳性能好、耐电磁等独 特优点。纤维有有机纤维和无机纤维两种，它们的抗拉强度和弹模都较高， 是纤维增强塑料筋中的承载成份。基体是粘结成份，用来把纤维粘结约束 在一起，也起保护纤维、维持纤维增强塑料筋尺寸稳定作用。在纤维增强 塑料筋中，常用的纤维有玻璃( g l a s s ) 纤维、聚芳基酰胺( a r a m i d ) 纤维、碳 ( c a r b o n ) 纤维：常用的基体材料是不饱和聚酯树酯、环氧树脂、乙烯基酯树 瞻。由于所用纤维和基体的材料性能、纤维含量、纤维断面和表面构造的 不同，纤维塑料筋有不同的物理力学性能。纤维增强塑料筋的类型包括编 织型、绳索型、拉挤型等。编织型是利用编织机将纤维束浸胶后编织成辫 子状经固化而成；绳索状纤维增强塑料索是将纤维束浸胶，经制绳工艺制 成绳索状固化而成；拉挤型是将纤维束浸胶后通过热成形模在一定张力下 拉挤成型，具有作业速度快、质量控制好、生产成本低等特点，是制造建 筑工业用纤维增强塑料材料的普遍方法，欧美等国大多数公司都用这种方 法e 产纤维增强塑料筋。 实现拉挤成型( p u l t r u s i o n ) 工艺的设备是拉挤机，主要由送纱装置、浸 渍装置、成型模具和固化装置、牵引装置、切割装置等五部分组成，其对 应的t = 艺过程分别是排纱、浸渍、成荔蔓与固化、牵引、切割。其工艺特点 是连续纤维浸渍树脂后，通过具有定截面形状的模具成型并固化，即纤 维米h 纱在传递系统的牵引下通过含有树脂基体、催化剂( 或硬化剂) 和其 它添加剂的浸胶槽并存其中浸涧，当浸涧过的粗纱进入长度一般是 0 9 m _ 1 3 t n 的模具时多余的树脂被 目5 并返回浸胶槽。该工艺加工的制品的 横断面一定，【丈度町山建造和运输要求控制。拉挤成型制品包括各利，棒材、 板材、空心管材或型材。在混凝土结构中，用于代替钢筋增强混凝土的纤 维增强塑料筋材( 如玻璃纤维增强塑料筋、碳纤维增强塑料筋和芳纶纤维 增强塑料筋) 、代替钢板加固既有混凝土结构的纤维增强塑料板材是由纤维 拉挤成型工艺结合二次加工制作的。 为了提高筋材与混凝土的粘结性能，常采用以下方法对拉挤筋材进行二 次表面加工：筋材固化前在筋上螺旋形缠绕纤维束；在筋材上用纤维 编织带子，形成凹r l ；存筋材表而覆以粒状物或短纤维；计筋材通过 具有凹凸内表面的模头，形成凹凸；用机械法直接对筋材外表面进行加 工；或用牵引链在表面压制波纹，使纤维增强塑料筋的表面呈螺纹状、粘 砂状或压痕状，见图1l 所示。 图ll ( a ) 螺纹状( b ) 粘砂状( c ) 乐痕状 1 1 3 纤维增强塑料筋的基本物理力学性能 纤维增强塑料筋与钢筋不同，是各向异性材料。不同成分纤维增强塑 料筋之间的物理性能可能差别很大，一些因素例如纤维与树脂的类型和含 量、纤维的方向、尺寸效应、生产过程中的质量控制及生产方法都对产品 的性能起着重要的作用。此外，与其它应用于结构的材料一样，纤维增强 塑料筋的力学性能受加载历史、持续时f b j 、温度和湿度等因素的影响。下 面简单介绍纤维增强塑料筋的基本物理力学性能。 1 比重【3 1 纤维增强塑料筋的比重一般在1 2 5 到2 1 之间，因此它比钢筋轻4 到 5 倍( 见表1 1 ) ，使得其运输成本降低，在工作现场的加工安装时间减少， 施工便利，这些都应该包括在选择产品时的成本分析中。 表1 1 纤维增强塑料筋的代表比重( g m m 3 ) 钢筋g f r p 筋c f r p 筋a f r p 筋 7 91 2 5 2 i1 5 161 2 5 一l 4 2 热胀系数 纤维增强塑料筋增强混凝土本身是一种复合材料，其中纤维增强塑料 筋是增强介质，混凝土是基体。因此，为了使混凝土和增强筋的变形差最 小，这两种材料在热应力下的性能必须接近。混凝上的热胀系数在6 1 0 1 到l lx1 0 “之间，通常看作是各向同性的。纤维增强塑料筋的纵向和 横向系数不同，与纤维、树脂的类型、纤维的体积率有关。表1 2 中列出 了具有代表性的纤维增强塑料筋和钢筋的纵向、横向热胀系数。 表1 2 纤维增强塑料筋的代表热胀系数1 06 。c 方向 钢筋 o f i i p 筋c f r p 筋, a f 1 r p 筋 纵向 1 1 7 6 到1 01 到0 2 到一6 横向 1 17 2 1 到2 32 2 到2 3 6 0 到8 0 3 抗拉强度和抗拉弹性模量 与钢筋不同的是，纤维增强塑料筋在达到其极限抗拉强度时无任何实 质性的屈服变形，其应力应变关系可用一条直到最大应力点( 极限抗拉强 度) 的直线表示。同时，纤维增强塑料筋具有尺寸效应，即由于剪切滞后 的原因，接近纤维增强塑料筋横断面中心的纤维受到的应力没有纤维增强 塑料筋外表面的纤维受到的应力大。这种现象导致大直径纤维增强塑料筋 的强度和效率的降低。另外，由于纤维增强塑料筋沿横截面方向的脆性， 确定纤维增强塑料筋的强度很困难，因为测试时锚固系统的应力集中可能 导致纤维增强塑料筋过早地破坏，必须使用满足测试纤维增强塑料筋强度 要求的特殊的锚固装置，使得纤维增强塑料筋试件的破坏发生在其测区以 内。 一些常用的纤维增强塑料筋的受拇性能总结存表1 3 中。其中的设计 强度是平均强度减去三倍的标准差得到的。 表13 纤维增强塑料筋抗拉性能 钢筋g f r p 筋 c f r p 筋a f r p 筋 强度( m p a ) 4 8 3 6 9 04 8 3 1 0 3 56 0 0 2 9 0 01 0 0 0 1 4 0 0 屈服强度( m p a ) 2 7 6 4 1 4 弹性模量( g p a ) 2 0 03 8 4 51 3 0 - 3 0 06 9 8 7 极限伸长率( ) 1 02 7 2 9o 2 一1 7l51 8 4 纤维增强塑料筋的弯曲强度一 纤维增强塑料筋可以用热固性树脂或热塑性树脂制成。热固性树脂由 于它们的分子结构在受热时会分解，因此这种树脂制成的纤维增强塑料筋 不能弯曲。用热塑性树脂制成的纤维增强塑料筋可以通过加热、加压来弯 n h 。 文献 3 建议，根据日本土木协会设计准则( 1 9 9 7 ) ，在受弯时引入一 个强度损失因子。纤维增强塑料筋弯曲部分的强度 。取决于弯吐部分曲率 半径与纤维增强塑料筋直径的比值，如式( 1 1 ) 所示。 r 厶6 = ( o 0 5 十o 3 ) ，。：。 ( 1 1 ) 日6 式中，r 是纤维增强塑料筋的内弯曲半径，矾是纤维增强塑料筋的名义直 径，f 。是直筋部分的设计强度。试验结果表明，式( 1 1 ) 给出的结果是 保守的。为了精确确定纤维增强塑料筋在弯曲时的强度损失，应该按照有 关规程的测试方法实测确定。 5 抗压强度和抗压弹性模量 纤维增强塑料筋试验显示其抗压强度低于抗拉强度。抗拉强度在5 5 0 到8 9 6 m p a 间的玻璃纤维增强塑料筋的抗压强度在3 1 7 到4 7 0 m p am 。芳纶 纤维增强塑料筋的抗拉强度高抗压强度也高，受压时纤维在相对较低的应 力下呈现类似屈服的特性。 与抗拉弹性模量不同的是，纤维增强塑料筋的抗压弹性模量随着纤维 增强塑料筋的尺寸、类型、生产质量控制、试件的长径比而变化。抗压弹 性模量小于抗拉弹性模量。对尼龙酯或以酞树脂基体中含5 5 n6 0 体积率 连续e 一玻璃纤维的试件的测试结果是抗压弹性模量在3 4 到4 i o p a 之间。 6 剪切强度 纤维增强塑料筋的剪切强度往往很低，因为剪切强度主要取决于树脂 性能。例如玻璃纤维增强塑料筋的剪切强度为极限抗拉强度的2 6 ，可用普 通的锯在垂直于纵轴方向很容易地锯开。可以通过调整纤维增强塑料筋的 方向使其利用轴向拉力来抵抗剪切荷载。 7 徐变和徐变破坏 纤维( 例如碳纤维和玻璃纤维) 具有优良的抗徐变性能，但是大多数 树脂并不是这样的。纤维在复合材料中的方向和体积率对纤维增强塑料筋 一 的徐变特性影响很大。有关研究表明由于徐变引起的玻璃纤维增强塑料筋 的应变值仅是初始弹性应变的3 。 在不利的环境条件下，受恒载作用的纤维增强塑料筋可能在一段时间 后突然破坏，这段时间叫持续时间，这一现象叫徐变破坏，存在于几乎所 有的结构材料中。随着持续拉应力与纤维增强塑料筋短期强度比值的提高， 持续时间会降低。有人对不同横断面的玻璃纤维增强塑料筋进行了徐变破 坏试验，研究结果表明，当持续应力限制在6 0 短期强度以内，徐变破坏不 会发生。 在室温下把相当于5 0 极限强度的短期( 4 8 小时) 和长期( 1 年) 持续 荷载加在玻璃纤维增强塑料筋和碳纤维增强塑料筋上。试件几乎没有发生 徐变，抗拉弹性模量和极限强度变化不大。碳纤维增强塑料筋最不易发生 徐变破坏。 对大多数纤维增强塑料筋混凝土结构，因为纤维增强塑料筋中的持续 应力低，基于考虑徐变破坏的应力限制并不重要。应当注意，环境因素( 例 如湿度和温度) 会影响徐变性能，可能使持续时间变短。 8 疲劳【2 】 纤维增强塑料筋有很好的抗疲劳性。在这方面的研究大多集中在高性 能纤维上( 如芳纶纤维和石墨纤维) ，因为其在航空领域的应用中受到拉 拉荷载重复作用。在荷载重复作用下的测试结果表明，在低应力比下，石 墨纤维一环氧树脂筋的疲劳强度比钢筋高，而玻璃纤维增强塑料筋的疲劳强 度比钢筋低( s c h w a r z1 9 9 2 ) 。其它的研究( p o r t e r 等1 9 9 3 ) 中，玻璃纤 维增强塑料锚筋受到1 千万次循环剪切荷载作用，结果表明其有良好的抗 疲劳性。另一项研究中玻璃纤维增强塑料预应力筋承受循环荷载作用，其 最大麻力为4 9 6 i p a ，应力范围是3 4 5 m p