玻璃纤维筋拉伸下的力学性能与钢筋对比的优势

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发表时间: 2019/8/9 15:32:51

在修筑地铁隧道时,由于盾构法可以有效地降低对地面的影响，加上盾构施工方法以其独特的施工工艺和较高的经济优越性，所以盾构法越来越受到建设和施工单位的重视，在传统的盾构始发，由于盾构机不能直接切割钢筋混凝土结构，所以必须人工凿除钢筋混凝土桩体.为了使桩体背后的土体保持稳定和防止地下水涌出基坑，必须在桩体背部后一定的范围进行土体加固，这就增加了施工时间和成本．在盾构始发洞口一定范围内的端口井的围护桩用玻璃纤维筋代替钢筋，不需凿除围护桩实现直接切割，切削桩体后建立土压，从而正常掘进。

玻璃纤维筋（GFRP）是纤维增强复合材料（Fi-ber Reinforced Polymer 简称FRP）的一种，纤维增强复合材料是由高性能纤维与合成树脂基体、固化剂采用适当的成型工艺所形成的材料；高性能纤维为增强材料，合成树脂为基体材料．纤维具有很高的抗拉强度，是纤维增强复合材料强度的主要提供者．主要起承受荷载作用，主要分为碳纤维、芳纶纤维、玄武纤维、玻璃纤维等。基体材料有粘结、传递剪力的作用，其物理性质可以影响纤维增强材料的物理性质。纤维增强复合材料中常用的基材包括不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、聚酯胺树脂等。玻璃纤维筋的全成为玻璃纤维增强复合材料筋，是由高性能的含碱量小于0.8%的无碱玻璃纤维无捻粗纱或者高强度玻璃纤维无捻粗纱和树脂基体（环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂等）、固化剂，采用成型固化工艺复合而成表面形状为全螺纹式的杆体。

本文通过对玻璃纤维筋进行普通拉伸试验，探索玻璃纤维筋在拉伸下的力学性能，并于钢筋坐比较，为玻璃纤维混凝土结构的研究提供参考和理论依据。

一、试件设计及制作

1. 试件长度设计
           玻璃纤维筋的普通卡神试验主要研究玻璃纤维筋在室温下抗拉性能，测量的主要内容为抗拉极限强度、抗拉弹性模量、极限应变等力学参数。试件尺寸确定主要是指试件的长度大小的确定。一般的，试件的长度包括试件的锚固段与中间杆体有效长度，由于玻璃纤维筋存在尺寸效应，这种尺寸效应主要体现在强度随构件尺寸的增大而减小。
       2. 试验方法要求
           玻璃纤维筋的样本长度包括中间有效长度和两端锚固长度，其中测试区长度要大于100mm或者40倍的玻璃纤维筋名义直径，两端锚固段长度要能保证玻璃纤维筋在试验中不能在锚固区破坏或从锚固端部滑出。
       3. 试验参照规范
           本次试验参考美国规范《Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars》。试件的设计如图1所以，杆体两端用钢套管粘结，钢套管长度l1，杆体长度l0.玻璃纤维筋与钢套管用环氧树脂粘结。本次试验所用玻璃纤维筋的直径为20mm（同时也是北京地铁15号线某工程所用的玻璃纤维筋尺寸）。试件的总长度为1000mm，中间有效长度为400mm，乱高端锚固长度各300mm。为了探索玻璃纤维筋和钢筋在拉伸下的差异，试验也参照规范《金属材料 室温拉伸试验方法》对钢筋进行拉伸试验。
       4. 试件夹具设计
           由于玻璃纤维筋为脆性材料，为了保证在拉伸过程中玻璃纤维筋端部不被夹具夹碎，在筋材的两端用环氧树脂锚固在一定长度的钢套管内，这样使试验机的荷载从夹具传递到钢套管，再传递到玻璃纤维筋。对夹具的设计，最关心的是两个难点：粘结材料的选用和钢套管尺寸大小的数值。对于粘结剂，一般采用环氧树脂类粘结剂，其强度要大于玻璃纤维筋的极限抗拉强度。对于钢套管的取值，主要为钢套管的长度、内径与外径的取值。本次试验所采用长度为300mm、壁厚3.5mm、外径40mm的钢套筒。试件尺寸设计如图1、图2。    

二、试验结果及分析

1. 试验过程及破坏形态
           试件在加载过程中，当加载到一定的数值时，试件会因损伤而发出清脆声，明显不同于钢筋。这是因为玻璃纤维筋受荷载初期，玻璃纤维和数值同时承受拉力，树脂先发生屈服，过了屈服之后，树脂进入塑性强化阶段，这时，外加荷载增量主要由玻璃纤维承当，当加载值接近极限荷载时，响声增大，最后突然发出很大的断裂声。试件破坏为脆性破坏。
       2. 应力——位移曲线及应力——应变曲线
           根据试验结果绘制玻璃纤维筋在拉伸下应力——位移以及应力——应变曲线。
       图3的玻璃纤维筋应力曲线为玻璃纤维筋在加载过程中，力值与位移值由电脑自动读取。其中，位移值是加载两端的夹具之间的相对位移，所以曲线为加载的全过程曲线。    

图4为玻璃纤维筋应力—应变曲线在引伸计读取的数据，当试件安装之后，在玻璃纤维筋杆体中体布置引伸计，在加载到极限状态的50%～60%时候，必须把引伸计取下，即玻璃纤维筋的应力—应变曲线只是加载前半部分过程的曲线。

同时，试验组对相同直径（20mm）的钢筋进行普通拉伸试验，根据钢筋拉伸试验绘制钢筋应力—位移曲线。
对相同直径的玻璃纤维筋和钢筋进行拉伸试验得到的试验结果，由应力—位移曲线得出：钢筋应力—位移曲线在屈服之前为直线，在屈服之后进入塑性阶段，玻璃纤维筋的应力—位移曲线为直线，在破坏之前无明显的屈服点，破坏为脆性破坏。如图5所示。

（1）f_u = F_u/A
   根据（1）式计算抗拉强度，精度保留1为小数（修正到0.5MPa）；
   该式中：f_u为抗拉强度，MPa；
   F_u为抗拉承载力，N
   A为玻璃纤维筋的横截面积，mm²。
   弹性模量由极限承载力的20%～50%的对应数据经过线性回归计算得到，计算由20%～50%极限承载力对应的应变来确定，按（2）式计算，保留一位小数。

（2）E_L = （F₁ - F₂ ）/（ε₁ - ε₂）A
   式中：E_L为玻璃纤维筋轴向弹性模量，MPa；
   A为玻璃纤维筋的横截面积，mm²；
   F₁和ε₁为50%的承载力水平以及其对应的应变；
   F₂和ε₂为20%的承载力水平以及其对应的应变；
   极限应变根据（3）式计算，保留3为小数。    

（3）ε_u = F_u/E_LA
   式中：ε_u为玻璃纤维筋破坏时的极限应变，%；
   E_L为玻璃纤维筋的弹性模量，MPa；
   A为玻璃纤维筋的横截面积，mm²；
   F_u为抗拉承载力，N；
   对直径为20mm的玻璃纤维筋进行普通拉伸试验得到的试验结果，见表2；
   钢筋拉伸试验计算结果为表3。

三、试验结论及分析

1. 于钢筋相对比，玻璃纤维筋的破坏为脆性破坏，延性较差，在普通拉伸实验条件下，破坏前没有任何实质性的屈服变形，玻璃纤维筋应力—位移曲线几乎成一直线。

2. 试验结果表明，相对于钢筋，玻璃纤维筋的弹性模量较小，约为钢筋的20%。

3. 玻璃纤维筋抗拉强度高，但是同一批玻璃纤维筋的抗拉强度离散系数较大，说明玻璃纤维筋产品质量随机性大，质量难以保证，需要在大量的试验基础上提出玻璃纤维筋的抗拉设计值和极限应变设计值。