混杂FRP及其加固混凝土结构的性能

1、混杂FRP及其加固混凝土结构的性能邓宗才，李建辉，杜修力（北京工业大学建筑工程学院，北京 100022）摘要：纤维增强塑料（FRP）在现代土木工程中极具应用前景型材料，而混杂纤维增强塑料（HFRP）是未来FRP发展的主导方向。本文在综合有关资料的基础上，总结了HFRP及其加固混凝土结构的国内外最新研究成果，探讨了它们的理论模型，并对应用前景做出展望。关键词：FRP;HFRP;混凝土；应用与前景1 引言    混凝土结构已成为当今世界土木工程中最主要的结构形式，但是由于材料老化、环境腐蚀、工作荷载改变、自然灾害及施工质量等问题，大批结构需要修复和加固。据统计，我国现

2、有桥梁中危桥约占34.5，大部分桥梁存在着不同程度的损伤。FRP以其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、施工方便等优异性能奠定了它在现在土木工程中的巨大优势，其应用已经引起了土木工程界的极大兴趣。由于单一FRP变形能力不足，所加固结构的延性差制约了FRP的广泛引用。混杂技术是解决以上问题的有效途径。混杂增强能够充分发挥不同纤维的优势，扬长避短，优化FRP的综合力学性能。本文介绍了国内外HFRP及其加固混凝土结构的最新研究进展，并对它的应用前景做出展望。2 HFRP材料性能    从理论上分析，高弹模（大于钢）纤维能改变结构的刚度、开裂和屈服荷载；高弹模、高强度的纤维能取得

3、应变强化行为，从而抑制变形；高弹性纤维能增强延性。已有的研究表明，碳纤维增强塑料（CFRP）能够增大结构的刚性，在CFRP中混杂适当比例的芳纶纤维（AF）或（GF）能提高结构的延性。HFRP理想的应力变力如图1所示。实际上在混杂纤维逐步断裂的过程中不平稳的应力转移使周围纤维产生应力集中而受到损伤，从而导致HFRP过早破坏或承载力急剧下降，因此需要寻求混杂纤维的合理匹配或采取措施去控制承载力的降低。2.1 单轴拉伸力学性能    Wu Z.S研究了纤维布层间混杂特性，测试了高弹模（C7）、高强度（C1）碳纤维布和高延性纤维布（Dy）HFRP的单轴拉伸行为【1，2】，

4、实验结果见图2。结果表明随着C1布比例的增加，HFRP的延性提高、承载力降低幅度减小。图2（ab）分别为相同密度（200g/m2）的一层C1和一层C7混杂碳纤维布C1/C7以及两层C1和一层C7混杂布2C1/C7的单轴拉伸荷载应变曲线。由图可知，随着C1布混杂比例的增加，高弹模、低极限应变的C7碳纤维布破坏过程变得缓慢，C7布应转移到C1布，荷载应变曲线有应变强化和多峰特点。图2（c）证明，混杂高延性的Dy纤维布能获取良好的延性，因为Dy纤维具有良好的变形和能量吸收能力。    对于FRP筋，Frank P.H提出采用编织技术设计延性混杂FRP(DHFRP)筋的新

5、理念3.实验研究了DHFRP筋的单轴拉伸和与混凝土界面的粘结性能。拉伸结果表明，DHFRP筋具有明显的屈服点、弹塑性阶段、应变强化阶段。与混凝土界面粘结性能实验：将直径10mm的DHFRP筋埋入直径为152.4mm的混凝土圆柱体，埋置长度分别为63.5mm、127mm、190.5mm和254mm。筋的拉拔实验表明，所有的纤维埋置长度上均发生纤维筋断裂破坏，未发生纤维筋拔出现象。这表明DHFRP滑移机理完全依赖于纤维筋的破坏机理。2.2 徐变行为    Vitauts T等研究了CFRP/芳纶纤维增强塑料（AFRP）、CFRP/GFRP筋的徐变行为【4，5】。各纤维

6、的混杂比例为CFRP与AFRP的体积掺率分别为24和76；CFRP与GFRP体积掺率分别为19和81。徐变测试方案为CFRP筋初始拉应变为0.69，为极限应变的57；AFRP筋初始应变为1.38，为极限应变的42；GFRP筋初始应变为0.78，为极限应变的30;CFRP/AFRP混杂筋初始应变为0.86，为极限应变（3.92）的26; CFRP/GFRP混杂筋初始应变为0.68，为极限应变（2.64）的26；编织空心AFRP筋的长期荷载为其极限荷载的41。    实验结果表明，CFRP筋在荷载持续17700h后无徐变；AFRP筋在荷载持续16800h后应变由初始的

7、1.38增加到2.326，增加了78；GFRP筋在荷载持续16600h后应变由初始的0.78增加到0.83，增加量为6.4；CFRP/AFRP混杂筋在12000h后应变由初始的0.86增加至1.46（超过了碳纤维的极限应变1.21），增加量为69，由于AFRP的徐变大，致使应力转移至CFRP上，导致碳纤维发生破坏；CFRP/GFRP混杂筋在17500h后应变由初始的0.68增加到0.72，增加量为5.8；编织空心AFRP筋在1100h徐变为初始应变的54。    假定HFRP中各单一纤维徐变相等，HFRP筋的徐变通过下式计算：t H/EH(t) 

8、0;                          （1）EH(t)EA(t)A+ECC+ EM(t)(1-A-C)        (2 )            n

9、EA(t)=E0/1+Aj1-exp(-t/i)                (3)            =1    式中，H为HFRP筋的平均应力；EA(t)、EC、EM(t)、A、C分别为芳纶、碳纤维和粘结剂的弹性模量和体积掺率；E0为芳纶纤维的初始弹性模量；Aj、i为参数，n为近似描述徐变曲线所需参

10、数数量。3 HFRP加固混凝土结构性能3.1 HFRP加固梁    Wu Z.S测量了HFRP布对简支梁的加固效果【1】。由图2（d）可知，含有一层C7布的HFRP能显著提高简支梁的刚度、屈服与极限荷载和延性，特别是C1/C7/Dy加固梁承载力下降缓慢，具有多峰的特点。尽管3层C1布（3C1）加固梁的承载力与2C1/C7或C1/C7/Dy加固梁的相近甚至更高，但是3C1加固梁的屈服荷载低于2C1/C7或C1/C7/Dy加固梁。这表明高弹模的C7布对梁屈服荷载的提高效果优于C1布。同时，C7布的逐步断裂过程能使应力平稳转移，避免了周围纤维产生高度应力集中。 

11、;   Frank P.H比较研究了DHFRP筋及钢筋加固混凝土梁的抗弯性能【6】。DHFRP筋能显著增大梁的初始刚度，具有与钢筋混凝土梁相似的开裂、裂缝发展行为和变形、能量吸收能力。熊光晶等实验研究了高强玻璃纤维/碳纤维HFRP加固混凝土梁的抗弯性能【7，8】，将极限挠度与屈服挠度比值定义为挠度延性，梁破坏时所吸收能量与屈服时所吸收能量之比定义为能量延性。实验结果表明，在极限承载力提高幅度相近前提下HFRP加固梁的挠度延性、能量延性分别比单一CFRP加固梁提高89.5和57.9，加固价格降低38.2，刚度仅降低10；HFRP加固梁的挠度延性、能量延性仅比基准混凝土梁降低1

12、3.7和21.4。    为了防止混凝土与FRP剥离破坏，采用U型CFRP片材粘贴梁侧的加固方法不仅增加了加固成本，且加固梁的变形能力差、延性低的问题未解决。熊光晶等提出了由单项一型CFRP和双向L型GFRP混杂加固混凝土梁的方法【9】，如图3所示。实验表明该方法有效地阻止剥离破坏，大幅度提高了加固梁的变性能力和延性，并将低了成本。3.2 HFRP加固柱    姜浩等实验研究了GFRP、CFRP和CFRP/GFRP混杂加固150×150×450mm短柱的抗压性能【10】。结果表明，HFRP加固短柱的极限荷载比基准柱

13、提高了14；HFRP布加固后短柱的塑性明显提高，荷载应变曲线如图4所示。    李杰等实验研究了FRP管混凝土长柱（900mm）、短柱（高220、264mm）的轴压和偏压性能【11】。试件设计为FRP管采用缠绕法制成，管内径D=88mm。类型铺设4层玻璃纤维和1层碳纤维，铺层角度为90/±45o/0o/90，其中0度的铺层为碳纤维，沿试件纵向。类型铺层设四层玻璃纤维，铺层角度为90/±45o/90。实验结果表明，GFRP和GFRP/CFRP混杂管混凝土组合结构能有效地提高构件的承载力，且构件具有很大的变性能力，如图5所示；±45o铺设

14、层设计可以大幅度提高构件斜截面承载力；弯矩曲率曲线为二折线，第一刚度由混凝土截面控制，第二刚度由FRP管刚度控制，如图6所示。图中BC、C分别代表柱、短柱；CG、G分别代表碳纤维/玻璃纤维混杂布、单一玻璃纤维布加固；第一个数值代表钢筋直径；第二个数值代表偏心距。C-CG-4-A为FRP壳体不直接受力而引起约束作用，C-CG-4-A、C-G-2.1-B为FRP壳体直接受力。3.3 HFRP加固梁柱节点    Li J.C试验研究了CFRP/GFRP混杂加固梁柱节点的力学性能【12】，测试了三个试件。其中两个未加固，记为C1、C2;HFRP加固试件记为C3，HFRP粘

15、贴部位如图7所示。施加荷载分为：服役水平荷载和极限荷载。在加载至极限荷载前30kN对每个试件进行几次检测测试，但试件C2仅做一次。然后，试件C2、C3以服役水平荷载30kN循环加载100次。实验结果表明，在服役水平荷载作用下HFRP加固试件刚度提高45；循环荷载作用后HFRP加固试件极限承载力提高30；服役水平荷载作用下HFRP加固梁或柱的变形显著减小，最大幅度达50。 3.4 HFRP混凝土新型组合结构    廖原等提出了一种由玻璃纤维（GF）布缠绕混凝土和粘结预应力碳纤维(CF)布的预应力组合梁【13】对于普通的钢筋混凝土梁，其抗剪承载力大部分是由箍

16、筋提供，作者的设想是在混凝土上缠绕GF布，相当于均匀布置的箍筋，在梁底粘贴CF布以抵抗弯曲产生的拉应力。为充分发挥CF布的强度和减小梁的挠度，在粘贴布时进行张拉，施加预应力，形成预应力组合梁。截面示意如图8所示。    Nordin H 提出了HFRP梁【14】，即I型GFRP梁。梁下翼抗拉区有一层3mm厚的CFRP，梁上翼抗拉区有一层115mm厚混凝土。这充分利用了CFRP高抗拉强度、GFRP的低价格和混凝土的高抗压强度。实验研究了3种3m长HFRP梁的抗弯性能，图9为梁截面示意。梁B上翼GFRP与混凝土采用钢栓锚接，而梁C采用胶粘结。测试采用四点弯曲梁试验，净

17、跨为2.7m。    实验结果是梁A、B、C的极限荷载分别为133kN、275kN、292kN，荷载挠度曲线如图10所示。HFRP梁的测试弯曲刚度EIest采用下式估计：    EItest=PL2a/48test（34a2/L2）(4)    式中，P为总荷载；L为净跨；a为支座与加载点距离；test为梁跨中挠度。预测结果列于表2。 表2  EItes估计平均值 梁A梁B梁CP/kN100200200L/mm270027002700A/mm100010001000test/

18、mm2317.414.3EItest/N.mm21.6×10124.3×10125.2×1012梁A/%100271325 4 理论模型    Wu Z.S基于HFRP布的单轴拉伸试验【2】，提出了一个预测HFRP逐步断裂时应力转移的宏观力学模型，将该模型引入了有限元程序中，再预测HFRP单轴拉伸及其加固混凝土结构的力学性能。所考虑的方面有混凝土裂缝的发展、钢筋与混凝土的粘结滑移、FRP与混凝土的界面面粘结和HFRP逐步断裂过程。采用线性拉伸软化和线性理想弹塑性曲线分别估计混凝土的拉伸和压缩行为。假定钢筋为线性理想弹塑性材料

19、，钢筋与混凝土的粘结滑移行为由图11（a）所示。    通常情况下粘结剂对结构抗拉承载能力的贡献很小，所以再本模型中被忽略。然而，FRP与混凝土的界面粘结对加固效果是十分重要的。粘结剂的主要功能是在混凝土与FRP之间传递应力。考虑到FRP主要承受拉应力，而粘结剂主要承受剪应力，脱粘发展与混凝土II型破坏模型相似，所以采用了一个线性软化曲线模拟FRP与混凝土的界面粘结行为，如图11（b）所示。    与钢筋不同，FRP是各向异性，它不能承受抗压和弯曲荷载，只能承受轴向拉伸荷载。单一FRP一般认为线弹性直至断裂，而HFRP承受荷载时的逐步

20、断裂将产生不同的力学性能。由于高弹模纤维断裂时不平稳的应力传递可能导致周围未受损纤维的断裂，所以估计高弹模纤维逐步断裂时的应力传递是非常重要的。如图12（a）所示，用一条理想曲线估计高弹模纤维布C7逐步断裂时C7布向C1布的应力转移。考虑用C1布以获得高强度的效果，所以假定C1布呈线性破坏，如图12（b）所示。    理论计算值与试验值吻合良好，通过理论计算可预测：HFRP布逐步断裂过程越平缓，混杂效果越好；提高混凝土强度和能量吸收能力，HFRP加固效果越显著。5         结束

21、语    HFRP能够在保证承载力的前提下显著提高延性和降低成本。CFRP、GFRP的徐变可以忽略，它们可以考虑为纯弹性材料。AFRP徐变较大，CFRP/AFRP混杂时AFRP较大的徐变可能导致CFRP应力过大而发生破坏。HFRP能显著提高混凝土梁、柱、梁柱节点的承载力和延性，研究HFRP假延性材料加固混凝土结构的延性评价方法和结构设计理论。欲获得高性能HFRP材料并用于工程实践，应该研发性能稳定的特别是能适应土木工程结构要求的多种纤维混杂的高性能HFRP，研究混杂方式、比例等对其性能的影响，进一步研究HFRP长期力学性能及其加固设计理论和设计方法，建立HFRP的

22、统一计算模型，加强对HFRP加固新方法及其与设计和施工有关的构造措施及施工制作技术的研究。 参考文献【1】       Zhishen Wu, Hedong Niu. Recent developments in FRP strengthening techniques A.第三届全国FRP学术交流会论文集【C】,南京，2004。【2】       H Niu, Z Wu. Numerical simulations on strengthened structur

23、es with hybrid fiber sheetsA. FRPRCS-6C,Singapore ,2003【3】       Frank P Hampton ,Hoa Lam ,et. Design methodology of a ductile hybrid FRP for concrete structures by the braidtrusion process A. 46th international SAMPE symposium C,2001【4】     

24、60; Vitauts Tamuzs, Roberts Apinis et. Creep tests using hybrid composite rods for reinforcement in concrete A. 3rd international conference on advanced composite materials in bridges and structureC.Canada ,2000.【5】       V tamuzs ,R maksimovs ,and J Modniks, long-term

25、creep of hybrid FRP barsA. FRPRCS-5C, London ,2001.【6】       Harry G harris , Frank P Hampton ,et. Cyclic behavior of a second generation ductile hybrid fiber reinforced polymer for earthquake resistant concrete structuresA. Society for the advancement of material and process engineeringC, California,2