徑向布置鋼片GFRP復合筋的研制及力學性能研究

董華均 何 佳

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

徑向布置鋼片GFRP復合筋的研制及力學性能研究

董華均1)何 佳2)

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

GFRP筋因其高強度和耐腐蝕等優點，被認為能夠部分替代混凝土結構中的鋼筋.而GFRP筋抗拉彈性模量低、延性差等特點嚴重制約了其在混凝土結構中的應用.針對此問題，結合復合原理以及已有鋼心FRP復合筋的構造形式，從增大鋼心與GFRP間協調變形的角度出發，采用增大二者接觸面積的方式研制出了徑向布置鋼片GFRP復合筋.從理論上分析了徑向布置鋼片GFRP復合筋的受力機理，并對其進行了拉伸試驗.結果表明，RSGB復合筋應力-應變曲線為非線性；隨著鋼心含量的提升，復合筋的初始抗拉彈性模量會有所提高，并且延性也得到改善.

GFRP；鋼片；復合筋；力學性能

0 引 言

FRP筋(fiber reinforced polymer/plastic)因其強度高、耐腐蝕性好等優點而備受國內外學者的關注，其中具有較高性價比的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，人們也認識到GFRP筋應用到混凝土結構當中的其他瓶頸問題，如彈性模量低、延性差等.

GFRP筋(glass fiber reinforced polymer/plastic)的應力-應變關系為線性，其混凝土結構的失效形式為脆性破壞，破壞前無明顯征兆，結構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筋應用于混凝土結構的兩個關鍵因素[4-6].盡管GFRP筋具有高強度、耐腐蝕的特性，但要將其應用于混凝土結構中，必須解決上述問題.針對FRP筋上述不足之處，相關學者提出了混雜纖維復合筋(HFRP筋)的概念[7-8]，通過將不同纖維混雜復合，以改善單一纖維FRP筋延性不足的缺陷.在HFRP筋的基礎上有學者進一步提出了鋼心FRP的概念[9-12]，以混雜理論為基礎，結合纖維材料和鋼材的優點，解決FRP筋模量低、延性差等問題，該類復合筋的關鍵是提高鋼心與FRP間的協調變形性能.由于樹脂與鋼心界面間的抗剪強度有限，在基于已有鋼心FRP復合筋的理論基礎上，通過采用薄鋼片的鋼心形式增大其與GFRP間界接觸面積，提高二者間的粘結性能，從而達到在復合筋拉伸過程中材料協調變形的目的.

1 徑向布置鋼片GFRP復合筋的制備

1.1 制備原理

在單向混雜FRP筋制備原理的基礎上，將薄鋼片作為復合筋的受力材料，以高模量的鋼心來替代高模量纖維.同時由于鋼心在受拉的過程中依次會出現彈性-屈服-強化三個階段.假設鋼心與FRP材料粘結性能良好，二者能夠協調變形，根據復合法則，可得到徑向布置鋼片GFRP復合筋的應力-應變關系.采用鋼材的簡化模型進行計算，見圖1.

圖1 徑向布置鋼片GFRP復合筋應力-應變示意圖

1.2 構造形式

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

對于矩形薄鋼片：

Sa=nab；Ca=2n(a+b)

(1)

(2)

對于圓形鋼心：

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量.

當m≤n時即鋼片數不低于圓形鋼心，由于ρa=ρc?Sa=Sca則有

(5)

可見當薄鋼片數量不低于圓形鋼心時ωa≥ωc，即同等鋼心含量時，前者的表面積更大.但對于數量較多、尺寸較小的細鋼絲而言，大尺寸的薄鋼片表面積不一定大于鋼絲.但其較細鋼絲尺寸大能更好定位鋪設，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材料間的粘結性能上，矩形薄鋼片具有較大的優勢.

2) 鋼心的布置 鋼心的布置遵循如下原則：①鋼心應在筋材中均勻順直分布，以充分發揮鋼材性能及保證復合筋力學性能的穩定；②復合筋的組合形式應滿足拉擠成型工藝(布置形式簡潔)，方便工業化生產，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均衡分布，以達到筋材失效時各材料的性能被充分利用的效果；④復合筋鋼心外層纖維材料應具有一定厚度，以保障鋼心的耐腐蝕性及復合筋斷面的整體性.

結合上述原則及前述已有復合筋的方案，該復合筋橫斷面形式為鋼片徑向布置，并環向均勻分布于復合筋內見圖2.復合筋縱斷面形式為鋼片與纖維縱向順直布置，以便充分發揮兩種材料的力學性能.均勻分布于復合筋內的鋼片受力均衡，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生相對滑移；該布置形式可便于拉擠成型時鋼片的定位.圖2中兩種方案主要的區別是方案二較方案一鋼心外層由螺旋纖維層所包圍，方案二是對方案一的一種改進，由于采用了較薄的鋼片，復合筋在受力過程中鋼片末端可能會對外層的縱向纖維產生劈裂的效果，為減弱這種不利效果，方案二鋼片末端的復合筋外層采用螺旋纖維層進行包裹.同時借鑒目前GFRP筋在生產時表面處理方法，在復合筋成型后表面樹脂還未固化時采用浸膠后的GFRP纖維束對其表面進行螺旋纏繞，并對復合筋表面進行噴砂處理，以增強復合筋與混凝土間的粘結性.

圖2 徑向布置鋼片GFRP筋初步構造方案

1.3 復合筋成型工藝

玻璃纖維復合筋拉擠成型工藝是將玻璃纖維在牽引設備的作用下，經過浸膠、預成型、固化等工序而后成型，此過程可根據產品需求增設繞肋及噴砂等工序.傳統的FRP筋拉擠成型工藝僅需將所浸膠后的纖維牽引到預成型模具內逐級成型，而后固化即可.而對于本文所研究的徑向布置鋼片GFRP復合筋，由于所采用的鋼心形狀及布置形式具有特殊性，需采用結合鋼心布置的預成型模具(見圖3).

圖3 復合筋預成型模具

2 RSGB復合筋力學性能試驗

2.1 試驗材料及分組

考慮到現有普通鋼帶的加工技術及成本因素，試驗薄鋼片采用304不銹鋼鋼帶，其厚度為1 mm、寬度6 mm，力學性能見表1.玻璃纖維為E-玻璃纖維，其表面偶聯劑為硅烷偶聯劑，具體性能見表2.粘結劑為環氧樹脂，根據《樹脂澆鑄體性能試驗方法》(GBT 2567—2008)測得的樹脂力學參數見表3.

表1 304鋼片力學性能

表2 玻璃纖維力學性能

表3 樹脂力學性能

復合筋直徑為18 mm，為保證筋材與錨具的粘結性能，對復合筋進行加肋及噴砂處理，見圖4.結合鋼片尺寸、布置數量，以及復合筋的直徑，選取四組鋼心含量的復合筋進行拉伸試驗，試驗分組見表4.選取四組鋼心含量的復合筋進行拉伸、剪切、和壓縮試驗，研究復合筋成型效果及其力學性能在不同鋼心含量下的變化規律.

圖4 復合筋表面及斷面圖

編號直徑/mm鋼心含量/%鋼片數試件數量RSGB-018004RSGB-4189.444RSGB-61814.264RSGB-81818.984

2.2 試驗方法

試驗采用武漢理工大學材料試驗中心的SHT4106微機控制電液伺服萬能試驗機，測試系統采用電液伺服閉環控制方式，通過載荷、位移、應變三個相互獨立并可轉換的控制模式分別對試樣施加預定的載荷.

試驗采用位移加載，加載速率為2 mm/min，每種規格拉伸4根.開始加載前數據采集裝置開通數秒后進行拉伸試驗，數據采集頻率為1 Hz.試驗對于軸向拉伸采用電子引伸計進行測量.

3 試驗結果及分析

3.1 試驗現象

拉伸試驗對象共16根試件，試驗過程中未出現因試件與錨管間粘結強度不足而出現的試件滑移拔出現象，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%左右時復合筋內會發出細微的脆響，當荷載達到極限荷載的70%左右時部分纖維出現斷裂破壞，并且纖維的斷裂聲會增大而密集，最后出現幾聲悶響，試件發生破壞.復合筋破壞位置主要集中在試件中間，少數靠近錨固端.RSGB復合筋的破壞形態主要表現為纖維斷裂，鋼心完好，纖維斷裂處與鋼心脫離，外層纖維破壞形態主要為散射式，見圖5.未出現鋼片從復合筋拔出及滑移等現象，RSGB復合筋纖維破壞形態與GFRP區別不大.

圖5 RSGB復合筋拉伸破壞

3.2 試驗結果分析

RSGB復合筋拉伸試驗筋數據見圖6～7.

圖6 RSGB復合筋彈性模量均值柱狀圖

圖7 RSGB復合筋抗拉強度均值柱狀圖

RSGB復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%.而抗拉強度有所降低，主要是較GFRP筋鋼心抗拉強度較低，且其屈服后彈性模量下降較快并會低于GFRP，故復合筋破壞時抗拉強度較GFRP有所降低，并且鋼心含量越高其值越低，本試驗中抗拉強度平均值最低為663.4 MPa，較GFRP下降17.0%.

RSGB復合筋拉伸試驗實測數據繪制應力-應變曲線見圖8～11.

圖8 RSGB-0應力-應變曲線

圖9 RSGB-4應力-應變曲線

圖10 RSGB-6應力-應變曲線

圖11 RSGB-8應力-應變曲線

各組試件的拉伸應力-應變曲線相差不大，復合筋的成型效果較好，力學性能穩定，見圖12.應力-應變曲線變化規律與不考慮滑移情況下的有限元計算所得理論值基本吻合，說明鋼片與GFRP間的粘結性能較好，協同變形性能良好.

圖12 RSGB復合筋平均應力-應變曲線

由圖12可知，GFRP筋在拉伸的過程中應力-應變曲線基本為線形變化，無屈服現象，加入鋼心的RSGB復合筋的應力-應變曲線，相比于GFRP筋其不再是線形變化，而呈現出一種非線性，起始階段呈“上凸狀”，并且這一趨勢隨著復合筋中鋼心含量的上升而不斷提高.當鋼心屈服后復合筋的應力-應變曲線上升趨勢明顯變緩，且鋼心含量越高其變緩趨勢越明顯，表現出一種屈服現象.通過應力-應變曲線可觀察到與GFRP筋相比，RSGB復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，后期由于鋼心進入塑性階段，彈性模量急劇下降，從而降低了復合筋的整體抗拉彈性模量.玻璃纖維斷裂后，荷載轉移至鋼心，鋼心會快速破壞失效.由于采用鋼心含量的有限，纖維斷裂后鋼心無法繼續承載，因而需進一步提高鋼心含量及采用更高強度的鋼心.

4 結 論

1) 基于混雜理論研究了HFRP筋及鋼心FRP復合筋的制備原理，闡述了鋼心復合筋拉伸應力-應變曲線的變化規律.

2) 以提高鋼心與GFRP間協調變形為目的，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合筋，并對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，對于較薄的鋼片同等鋼心數量的情況下其表面積更大.

3) 拉伸試驗結果顯示RSGB復合筋較GFRP筋應力-應變曲線出現了非線性，具有一定的延性，初始模量會隨鋼心含量的提升而提高，試驗值與理論值基本吻合，復合筋成型效果較好，鋼心與GFRP粘結性能良好.

4) RSGB復合筋拉伸破壞形態主要為散射式破壞，未出現明顯的塊狀劈裂，鋼心末端對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，高級工程師，主要研究領域為路面工程、工程管理