混杂FRP及其加固混凝土结构的性能.doc

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。2HFRP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WuZ.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】，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（a－b）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，FrankP.H提出采用编织技术设计延性混杂FRP(DHFRP)筋的新理念[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VitautsT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①CFRP筋初始拉应变为ε＝0.69％，为极限应变的57％；②AFRP筋初始应变为ε＝1.38％，为极限应变的42％；③GFRP筋初始应变为ε＝0.78％，为极限应变的30％;④CFRP/AFRP混杂筋初始应变为ε＝0.86％，为极限应变（3.92％）的26％;⑤CFRP/GFRP混杂筋初始应变为ε＝0.68％，为极限应变（2.64％）的26％；⑥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，①CFRP筋在荷载持续17700h后无徐变；②AFRP筋在荷载持续16800h后应变由初始的1.38％增加到2.326％，增加了78％；③GFRP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％；④CFRP/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；⑤CFRP/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％；⑥编织空心AFRP筋在