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鋼-連續纖維復合筋（SFCB)力學性能

試驗方法研究

羅云標¹  吳剛^1，2  吳智深^2，3  王燕華¹  王焰⁴

(1.東南大學木工程學院  南京  210096; 2.東南大學城市工程科學國際研究中心  南京  210096: 3.日本茨城大學工學部 日立縣 316-8511; 4.北京特希達技術研發有限公司   北京  00011)

摘要:本文介紹了鋼-連續纖維復合筋(SFCB)的制作方法，設計了鋼-連續纖維復合筋單向拉仲試驗裝置,完成了SFCB單向拉仲試驗，試驗表明，其破壞特征理想，試驗結果與理論計算值符合較好，證明s這種測試方法能夠較好地測定SFCB的力學性能，為進一步系統研究SFCB的力學性能打下了基礎。

關鍵詞:鋼連續纖維復合筋軸向拉伸破壞模式試驗研究

Experimental Study on Test Method and Mechanical Properties of Steel-Fiber Composite Bars (SFCB)

LO Yunbia¹ WU Gang^1，2  Wu Zhishen^2，3   Wang Yanhua¹  Wang Yan⁴

(1.Collcge ofCivil Engincering Southeast Universiy, Nanjing 210096, China; 2.Intemaional Isiute for Urban SystemsEngincering, Nanjing 210096, China; 3.Department of Urban & Cil Engincering, Ibaraki University, Hiachi 316-8511,Japan; 4.Beijing Texida technology R & D Co.Lid , Beijing 000 , China)

Abstract: This paper studies the mechanical properties of the steel-fiber composite bar (SFCB) under

axial tension. The fabrication method of SFCB is introduced and a special testing device is designed to carry out

the experiment. The failure mode of specimens is reproduced as the expected resul. The designed test method is

validated by comparisions of measured data from experiments with thcoretical ones.

KeyWords: Stefibere composite bars, Axial tension, Failure mode, , experimental study

鋼筋是土木建筑結構主要的構造和加強材料，可是，由于容易腐蝕等問題，嚴重損害了構造物的性能和使用壽命。另外，由于鋼筋是一種彈塑性材料，其增強的結構屈服后承載力基本不再提高，導致鋼筋混凝土結構在遭遇強地震作用后，往往變形過大，可恢復性能差。吳智深、吳剛^1，2提出用連續纖維復合材料包裹普通鋼筋的方法，復合出一種具有良好耐腐蝕性的鋼-連續纖維復合筋(SFCB)。試驗證明，這種新型的復合筋不僅具有良好的耐腐蝕性^{1},還具有穩定的屈服后剛度(二次剛度)以及理想的可恢復性，可利州SFCB,開發出損傷可控且可恢復性良好的新型混凝土抗震結構。

但是，日前對鋼-連續纖維復合筋的力學性能測試還沒有一套規范、標準且有效的測試方法，直接限制了這種新的增強材料在工程中的推廣和應用(圖1為某廠家生產的鋼-連續纖維復合筋，日前主要利用其耐腐蝕性作為加筋錨桿在邊坡支護等巖土工程中應用)。為進一步系統研究鋼-連續纖維復合筋(SFCB)的力學性能，本文介紹了SFCB的制作方法，設計了SFCB單向拉伸試驗裝置，并完成了SFCB的單向拉伸試驗。

1試驗概況

1.1 試件制備

圖2為SFCB的制作示意圖。表1列出了制作試件州的原材料的基本力學性能參數,其中連續纖維復合材料采用碳纖維布及玄武巖纖維布，鋼筋芯.材采用φ 10帶肋鋼筋。

試件的制作步驟如下:鋼筋表面除污一>纖維布刷樹脂一>纖維布包裹一>纖維束纏繞一>固化成型。   具體過程如下: 1) 首先用砂紙輕輕去除鋼筋表面的銹污,然后用紗布蘸丙酮清洗千凈；  2)如圖2所示，將剪裁好的纖維布鋪設平整，一端用502粘結劑分五點與鋼筋粘結以作臨時固定，然后均勻涂刷環氧樹脂，隨后使用羅拉均勾滾動擠壓，保證纖維絲束的樹脂浸漬飽滿； 3) 用長鋼條壓緊纖維布的另一端，從與鋼筋五點粘結的一端緩緩轉動鋼筋并施加與鋼筋軸向乘真的張拉力,以實現纖維布對鋼筋密實均勻的包裹； 4)沿筋材軸向用膠手套擠去多余的樹脂，最后用浸漬過環氧樹脂的玄武巖纖維束沿與筋材軸向成45°在螺紋筋的肋牙間環向纏繞,便制成本試驗的鋼一連續纖維復合筋。

在SFCB尚化成型后，為了能在試驗機上進行拉伸試驗，還需要在SFCB兩端作錨固處理。由于纖維是一種典型的各向異性材料,其橫向與縱向強度比較小，僅為1: 20左右。因此傳統的夾片式錨固不適用于SFCB,否則將會由于其橫向強度過低導致筋材的外包覆層在錨內區過早火效。為了保證錨具系統具有可常的錨固性能，試驗時SFCB中鋼筋和纖維的強度均能夠得到充分的發揮，本試驗采州粘結式錨具(如圖3所示)對SFCB進行錨固，粘結介質采州北京特希達技術開發有限公司研究配制的多成份混合膠，其強度高，粘結效果好，能滿足本試驗研究的要求。

圖3 粘結式錨具

以下是試驗中需要特別考慮的內容: 1) 由于是筋材單向拉伸試驗，筋材的軸線與儀器的中心之間的偏心對試驗結果會有較大的影響，故特別設計了附加對中螺母，以保證拉伸力和筋材的軸線在一真線上; 2)為了防止筋材在伸入錨具時在錨具端部易發生應力集中導致過早失效破壞，在該區段采取增加纖維布層數的方法予以加強保護，如圖4所示。

最后，制作完成后的SFCB試件見圖5、圖6。

1.2試驗裝置

由丁SFCB試件兩端的粘結式錨具帶有外螺牙,可以很方便地通過螺母、固定鋼板及螺栓與 MTS電液伺服疲勞試驗機相連接(如圖7所示)。本試驗采用兩套試驗數據測量及采集系統, 一套是MTS試驗機自帶的測量系統，通過試驗機自身的傳感設備測量并采集試件兩加載端之間的荷載和位移。第二套試驗數據采集系統如圖8所示，其中試驗過程中的復合筋張拉力通過力傳感器測量，筋材的拉伸應變通過用LVDT雙側電子引伸儀(與單側電子引伸儀相比，能夠消除筋材彎曲對拉伸應變測量的影響)測量，同時在SFCB試件中部兩側粘貼電阻式應變片與之校核，以上測試儀器均連接到TDS303靜態應變測試儀上進行數據采集。

之所以采用兩套試驗測量系統，是為了測得試件單向拉伸試驗的全過程曲線。由于在試驗過程中將經歷纖維斷裂及鋼筋斷裂，為保護電子引伸計,需在纖維斷裂前將其卸下，而纖維斷裂時應變片也將火效，這樣若僅采用第二套系統無法測得試驗的全過程曲線。而若僅采用第一套測量系統，在試驗初期荷載和位移較小時測得的誤差較大。采用兩套測量系統，在小變形階段，以第二套測量系統數據.為主，在大變形以及卸去電子引伸計后，以第一套測量系統數據為主。另外，兩套測量系統間可以相互校定，從而得到理想的試驗全過程曲線。

1.3 試驗過程與結果

試驗過程中采用位移控制的加載方式。通過螺母、鋼板及螺栓將SFCB試件安裝在MTS試驗機后，以0.5mm/min的加載速度進行單軸靜力加載。在加載初期，鋼筋內芯和纖維外包覆層共同承擔荷載，當拉伸應變約為0.002時開始發生屈服現象，表現為SFCB的應力水平隨應變增加而提高的幅度減小，但仍持續且穩定地增加，即SFCB表現了較高的屈服后剛度(二次剛度)。此時鋼筋內芯已經屈服,不能承擔更高的荷載，增加的荷載主要由纖維外包覆層承擔。隨著荷載的增加，當試件中部的纖維外包覆層斷裂失效時到達其承載力峰值,隨著纖維斷裂，其承載力迅速下降，此時，外荷載由屈服后的鋼筋內芯承擔, SFCB的承載力基本上不再增加。試件的破壞形式也比較理想，首先是試件中部的鋼筋屈服，然后是屈服鋼筋附近的纖維斷裂,最后是纖維斷裂破壞處附近區段內的鋼筋被拉斷。

試驗過程中主要有以下現象:

1)表現出了明顯且穩定的二次剛度，從鋼筋屈服、纖維斷裂破壞到鋼筋斷裂,破壞過程有很明顯的階段性。

2)破壞部位比較集中，纖維斷裂和鋼筋屈服、斷裂都發生在一個相對集中的區段,而其他區段基本_上沒有發生的纖維破壞以及纖維鋼筋內芯刺離等現象，如圖9所示。

3)如圖10所示，錨固孔口處的錨固膠沒有明顯變形和裂紋，錨固膠與筋材接觸面沒有膠體脫開及滑移現象，說明錨固效果理想。

2、 SFCB應力-應變關系曲線的計算

基于鋼筋和纖維復合材料的應力-應變關系，根據材料的復合法則，可以求得SFCB的應力-應變關系。如圖11所示，鋼筋采川雙折線彈塑性本構關系模型，纖維復合材料采用線彈性本構關系模型。從開始張拉到鋼筋屈服為SFCB的應變區間I,其拉伸應力為σ₁彈性模量為E₁，以及SFCB的應變為￡,其表達式如式(1),(2)所示。

式中，

Es、As、￡y分別為鋼筋的彈性模量、橫截面面積、屈服應變;

E_p、A_F分別為連續纖維外包覆層的彈性模址、橫截面面積:

  A為SFCB橫截面總面積，A=A_s+A_F 。

式中，f_y ε_y分別為鋼筋的屈服應力、屈服應變;ε_F為連續纖維外包覆層的斷裂應變。

最后，連續纖維外包覆層斷裂到鋼筋斷裂為SFCB的應變區間III,其拉伸應力為σm，彈性模量率為Em,不考慮鋼筋的強化作用，且由于此時連續纖維外包覆層己斷裂，故計算SFCB的應力時不計入連續纖維外包覆層的橫截面面積，則其表達式如式(5), (6)所示。

式中，E_xmax為鋼筋的斷裂應變。

將試驗結果與j理論計算結果進行比較，圖12為其中一個試件的應力-應變關系，表2為該試件的具體試驗結果。

從SFCB的應力-應變關系曲線可以看出,試驗結果中的SFCB屈服點和屈服前剛度都與理論計算吻合得較好，說明本文設計的試驗方法能較好地測定SFCB的力學性能。但是,對于屈服后的剛度和極限應變，試驗值和理論計算值還有一定的誤差，其中屈服后剛度的試驗值要高于理論計算值,而極限應變值的試驗值則低于理論計算值，分析其原閃是由于纖維外包覆層在拉剪同時作用下發生破壞，因此未能達到其材料的拉伸極限應變，至于試驗結果的二次剛度值比理論計算高的現象以及是否存在復合效應等擬在進一步的試驗及理論研究中繼續探討。

3結論

本文針對鋼-連續纖維復合筋(SFCB)這種新型增強材料的特點，設計了其單向拉伸試驗裝置，有效地解決了筋材試驗中的對中問題及錨內區應力集中導致筋材失效破壞的問題。完成了系列SFCB單向拉伸試驗，試驗表明，其破壞特征理想，試驗結果與理論計算符合得較好，證明這種測試方法能夠較好地測定SFCB的力學性能，為進一步系統研究SFCB的力學性能打下了基礎。

參考文獻: :

[1]吳智諜，吳剛，呂志濤.具們穩定二次剛度的鋼一連續纖維儀介筋

混凝上抗震結構[P].國家發明專利:20061006

[2]羅云標，吳剛。靈智深，王燕華鋼-連續纖維復介筋拉伸力學性能

試驗研究[]力學與工程，2007， 213-218

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