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钢—纤维混杂筋的理论分析与试验研究

李延  
【摘要】:钢—连续纤维混杂筋是以纤维为增强材料,以合成树脂作为粘接剂,以金属芯材作为基体材料,由人工或机器进行粘贴并经过养护而成的新型复合材料。这种材料具有提高金属的弹性模量,产生明显的二次刚度,耐腐蚀等优点。适合于在海洋环境、岩土工程中的锚杆、近岸工程、桥梁工程、路面工程、存在氯盐腐蚀环境当中的应用。但是钢—纤维混杂筋是一种复合材料,这种材料的力学本构关系既不同于钢筋的弹性、塑性、强化三段形式又不同于纤维没有塑性流幅阶段从受力直到断裂应力持续增长的理想弹性形式。其力学本构关系不仅取决于金属芯材的强度同时还取决于纤维的抗拉强度和缠量。在结构当中进行应用时,其粘结滑移本构也与钢筋存在着明显的区别。为了将这种材料应用在工程之中,了解这种材料的性能特点,本文在河南大学自然科学基金(钢—连续纤维混杂筋在混凝土抗震结构中的开发与应用;编号:2008A560001)的资助下,通过对钢—纤维混杂筋材性试验数据的分析和处理,了解其力学本构及耐久性,结合现代钢筋混凝土结构理论分析方法,研究了钢—连续纤维混杂筋梁正截面受弯性能的计算理论,进行了钢—连续纤维混杂筋梁的受力全过程的分析。主要对以下内容进行了研究,并得出了一些初步的成果。 1、钢—连续纤维混杂筋的力学本构取决于金属芯材的强度和纤维的缠量。在纤维和金属芯材都处于弹性的阶段,虽然碳纤维的弹性模量要高于金属芯材,但是由于在此阶段金属的应变很小,所以纤维发挥的作用比较有限,在此阶段混杂筋的弹性模量较之金属芯材提高很小,在纤维缠量不是很大的情况下可以采用金属芯材的弹性模量作为混杂筋的弹性模量。在金属芯材的塑性流幅阶段由于纤维的应力仍在提高,而且由于应变的增大,纤维提供的拉力明显增长,于是混杂筋的力学本构在金属芯材的塑性流幅段发生了明显的变化,形成了第二段折线,其强化阶段的力学本构则取决与金属芯材的应力应变。 2、由于钢—连续纤维混杂筋的表面有环氧树脂涂层的保护,因此在腐蚀环境中工作时,混杂筋具有明显的优势,防腐性能是其另一个突出的优点。试验结果表明,涂抹环氧树脂涂层的钢筋在快速电化学腐蚀的环境下,其质量损失率较未处理钢筋有明显的降低,但是如果涂抹树脂保护层质量不高,存在比较明显的初始缺陷,会产生严重的坑蚀现象,其强度损失要远大于未经处理钢筋,这种现象在纤维混杂筋工程应用中,尤其值得注意。 3、将钢—连续纤维混杂筋的力学本构应用于钢筋混凝土结构进行理论分析,得出在混凝土中使用钢—连续纤维混杂筋作为加强材料对梁的开裂弯矩提高有限,截面抵抗矩塑性影响系数的基本值较之钢筋混凝土梁的变化有限。最大、最小配筋率可以采用钢筋混凝土梁的理论进行计算。与钢筋混凝土梁相比最大的区别在于梁的裂缝出现以后,由于粘贴的纤维参与工作裂缝和挠度的发展速度明显变缓,在一定的受力范围内能够提高梁的性能。 4、利用大型通用有限元软件ANSYS对钢—纤维混杂筋梁进行了全过程仿真分析,了解其破坏过程,为试验研究提供理论依据。通过数值分析,得出钢-纤维混杂筋梁开裂后其挠度发展较普通钢筋混凝土梁的要小,极限承载力有一定的提高,其提高程度取决于纤维的缠量和混凝土强度,但是随着纤维缠量的提高其极限承载力提高有限,这类似于普通钢筋混凝土梁的超筋梁。为此,钢纤维混杂筋梁要根据性能需求进行设计。 5、由于钢—纤维混杂筋是一种复合材料,在进行其抗力计算时采用了一些假设而且纤维本身的离散性又比较大,本文利用3σ准则,格拉布斯准则,肖维纳准剔除离散性大的纤维束的强度,判断结构构件抗力计算值的合理性。


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