钢-连续纤维复合筋（SFCB)力学性能

试验方法研究

罗云标¹  吴刚^1，2  吴智深^2，3  王燕华¹  王焰⁴

(1.东南大学木工程学院  南京  210096; 2.东南大学城市工程科学国际研究中心  南京  210096: 3.日本茨城大学工学部 日立县 316-8511; 4.北京特希达技术研发有限公司   北京  00011)

摘要:本文介绍了钢-连续纤维复合筋(SFCB)的制作方法，设计了钢-连续纤维复合筋单向拉仲试验装置,完成了SFCB单向拉仲试验，试验表明，其破坏特征理想，试验结果与理论计算值符合较好，证明s这种测试方法能够较好地测定SFCB的力学性能，为进一步系统研究SFCB的力学性能打下了基础。

关键词:钢连续纤维复合筋轴向拉伸破坏模式试验研究

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

钢筋是土木建筑结构主要的构造和加强材料，可是，由于容易腐蚀等问题，严重损害了构造物的性能和使用寿命。另外，由于钢筋是一种弹塑性材料，其增强的结构屈服后承载力基本不再提高，导致钢筋混凝土结构在遭遇强地震作用后，往往变形过大，可恢复性能差。吴智深、吴刚^1，2提出用连续纤维复合材料包裹普通钢筋的方法，复合出一种具有良好耐腐蚀性的钢-连续纤维复合筋(SFCB)。试验证明，这种新型的复合筋不仅具有良好的耐腐蚀性^{1},还具有稳定的屈服后刚度(二次刚度)以及理想的可恢复性，可利州SFCB,开发出损伤可控且可恢复性良好的新型混凝土抗震结构。

但是，日前对钢-连续纤维复合筋的力学性能测试还没有一套规范、标准且有效的测试方法，直接限制了这种新的增强材料在工程中的推广和应用(图1为某厂家生产的钢-连续纤维复合筋，日前主要利用其耐腐蚀性作为加筋锚杆在边坡支护等岩土工程中应用)。为进一步系统研究钢-连续纤维复合筋(SFCB)的力学性能，本文介绍了SFCB的制作方法，设计了SFCB单向拉伸试验装置，并完成了SFCB的单向拉伸试验。

1试验概况

1.1 试件制备

图2为SFCB的制作示意图。表1列出了制作试件州的原材料的基本力学性能参数,其中连续纤维复合材料采用碳纤维布及玄武岩纤维布，钢筋芯.材采用φ 10带肋钢筋。

试件的制作步骤如下:钢筋表面除污一>纤维布刷树脂一>纤维布包裹一>纤维束缠绕一>固化成型。   具体过程如下: 1) 首先用砂纸轻轻去除钢筋表面的锈污,然后用纱布蘸丙酮清洗千净；  2)如图2所示，将剪裁好的纤维布铺设平整，一端用502粘结剂分五点与钢筋粘结以作临时固定，然后均匀涂刷环氧树脂，随后使用罗拉均勾滚动挤压，保证纤维丝束的树脂浸渍饱满； 3) 用长钢条压紧纤维布的另一端，从与钢筋五点粘结的一端缓缓转动钢筋并施加与钢筋轴向乘真的张拉力,以实现纤维布对钢筋密实均匀的包裹； 4)沿筋材轴向用胶手套挤去多余的树脂，最后用浸渍过环氧树脂的玄武岩纤维束沿与筋材轴向成45°在螺纹筋的肋牙间环向缠绕,便制成本试验的钢一连续纤维复合筋。

在SFCB尚化成型后，为了能在试验机上进行拉伸试验，还需要在SFCB两端作锚固处理。由于纤维是一种典型的各向异性材料,其横向与纵向强度比较小，仅为1: 20左右。因此传统的夹片式锚固不适用于SFCB,否则将会由于其横向强度过低导致筋材的外包覆层在锚内区过早火效。为了保证锚具系统具有可常的锚固性能，试验时SFCB中钢筋和纤维的强度均能够得到充分的发挥，本试验采州粘结式锚具(如图3所示)对SFCB进行锚固，粘结介质采州北京特希达技术开发有限公司研究配制的多成份混合胶，其强度高，粘结效果好，能满足本试验研究的要求。

图3 粘结式锚具

以下是试验中需要特别考虑的内容: 1) 由于是筋材单向拉伸试验，筋材的轴线与仪器的中心之间的偏心对试验结果会有较大的影响，故特别设计了附加对中螺母，以保证拉伸力和筋材的轴线在一真线上; 2)为了防止筋材在伸入锚具时在锚具端部易发生应力集中导致过早失效破坏，在该区段采取增加纤维布层数的方法予以加强保护，如图4所示。

最后，制作完成后的SFCB试件见图5、图6。

1.2试验装置

由丁SFCB试件两端的粘结式锚具带有外螺牙,可以很方便地通过螺母、固定钢板及螺栓与 MTS电液伺服疲劳试验机相连接(如图7所示)。本试验采用两套试验数据测量及采集系统, 一套是MTS试验机自带的测量系统，通过试验机自身的传感设备测量并采集试件两加载端之间的荷载和位移。第二套试验数据采集系统如图8所示，其中试验过程中的复合筋张拉力通过力传感器测量，筋材的拉伸应变通过用LVDT双侧电子引伸仪(与单侧电子引伸仪相比，能够消除筋材弯曲对拉伸应变测量的影响)测量，同时在SFCB试件中部两侧粘贴电阻式应变片与之校核，以上测试仪器均连接到TDS303静态应变测试仪上进行数据采集。

之所以采用两套试验测量系统，是为了测得试件单向拉伸试验的全过程曲线。由于在试验过程中将经历纤维断裂及钢筋断裂，为保护电子引伸计,需在纤维断裂前将其卸下，而纤维断裂时应变片也将火效，这样若仅采用第二套系统无法测得试验的全过程曲线。而若仅采用第一套测量系统，在试验初期荷载和位移较小时测得的误差较大。采用两套测量系统，在小变形阶段，以第二套测量系统数据.为主，在大变形以及卸去电子引伸计后，以第一套测量系统数据为主。另外，两套测量系统间可以相互校定，从而得到理想的试验全过程曲线。

1.3 试验过程与结果

试验过程中采用位移控制的加载方式。通过螺母、钢板及螺栓将SFCB试件安装在MTS试验机后，以0.5mm/min的加载速度进行单轴静力加载。在加载初期，钢筋内芯和纤维外包覆层共同承担荷载，当拉伸应变约为0.002时开始发生屈服现象，表现为SFCB的应力水平随应变增加而提高的幅度减小，但仍持续且稳定地增加，即SFCB表现了较高的屈服后刚度(二次刚度)。此时钢筋内芯已经屈服,不能承担更高的荷载，增加的荷载主要由纤维外包覆层承担。随着荷载的增加，当试件中部的纤维外包覆层断裂失效时到达其承载力峰值,随着纤维断裂，其承载力迅速下降，此时，外荷载由屈服后的钢筋内芯承担, SFCB的承载力基本上不再增加。试件的破坏形式也比较理想，首先是试件中部的钢筋屈服，然后是屈服钢筋附近的纤维断裂,最后是纤维断裂破坏处附近区段内的钢筋被拉断。

试验过程中主要有以下现象:

1)表现出了明显且稳定的二次刚度，从钢筋屈服、纤维断裂破坏到钢筋断裂,破坏过程有很明显的阶段性。

2)破坏部位比较集中，纤维断裂和钢筋屈服、断裂都发生在一个相对集中的区段,而其他区段基本_上没有发生的纤维破坏以及纤维钢筋内芯刺离等现象，如图9所示。

3)如图10所示，锚固孔口处的锚固胶没有明显变形和裂纹，锚固胶与筋材接触面没有胶体脱开及滑移现象，说明锚固效果理想。

2、 SFCB应力-应变关系曲线的计算

基于钢筋和纤维复合材料的应力-应变关系，根据材料的复合法则，可以求得SFCB的应力-应变关系。如图11所示，钢筋采川双折线弹塑性本构关系模型，纤维复合材料采用线弹性本构关系模型。从开始张拉到钢筋屈服为SFCB的应变区间I,其拉伸应力为σ₁弹性模量为E₁，以及SFCB的应变为£,其表达式如式(1),(2)所示。

式中，

Es、As、£y分别为钢筋的弹性模量、横截面面积、屈服应变;

E_p、A_F分别为连续纤维外包覆层的弹性模址、横截面面积:

  A为SFCB横截面总面积，A=A_s+A_F 。

式中，f_y ε_y分别为钢筋的屈服应力、屈服应变;ε_F为连续纤维外包覆层的断裂应变。

最后，连续纤维外包覆层断裂到钢筋断裂为SFCB的应变区间III,其拉伸应力为σm，弹性模量率为Em,不考虑钢筋的强化作用，且由于此时连续纤维外包覆层己断裂，故计算SFCB的应力时不计入连续纤维外包覆层的横截面面积，则其表达式如式(5), (6)所示。

式中，E_xmax为钢筋的断裂应变。

将试验结果与j理论计算结果进行比较，图12为其中一个试件的应力-应变关系，表2为该试件的具体试验结果。

从SFCB的应力-应变关系曲线可以看出,试验结果中的SFCB屈服点和屈服前刚度都与理论计算吻合得较好，说明本文设计的试验方法能较好地测定SFCB的力学性能。但是,对于屈服后的刚度和极限应变，试验值和理论计算值还有一定的误差，其中屈服后刚度的试验值要高于理论计算值,而极限应变值的试验值则低于理论计算值，分析其原闪是由于纤维外包覆层在拉剪同时作用下发生破坏，因此未能达到其材料的拉伸极限应变，至于试验结果的二次刚度值比理论计算高的现象以及是否存在复合效应等拟在进一步的试验及理论研究中继续探讨。

3结论

本文针对钢-连续纤维复合筋(SFCB)这种新型增强材料的特点，设计了其单向拉伸试验装置，有效地解决了筋材试验中的对中问题及锚内区应力集中导致筋材失效破坏的问题。完成了系列SFCB单向拉伸试验，试验表明，其破坏特征理想，试验结果与理论计算符合得较好，证明这种测试方法能够较好地测定SFCB的力学性能，为进一步系统研究SFCB的力学性能打下了基础。

参考文献: :

[1]吴智谍，吴刚，吕志涛.具们稳定二次刚度的钢一连续纤维仪介筋

混凝上抗震结构[P].国家发明专利:20061006

[2]罗云标，吴刚。灵智深，王燕华钢-连续纤维复介筋拉伸力学性能

试验研究[]力学与工程，2007， 213-218

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