r - The Hong Kong Polytechnic University

图 9 钢 丝 - 纤 维 复 合 板 应 力 - 应 变 关 系
图 10 钢 丝 直 径 对 混 杂 效 果 影 响
为 了 达 到 最 优 化 的 FRP 与 高 强 钢 丝 混 杂 设 计 的 效 果 , 针 对 钢 丝 接 触 面 积 和 混 杂 效 果 进 行 了 研
究 , 如 图 10 所 示 。 试 验 研 究 了 0.25mm,0.3mm 和 0.5mm 直 径 钢 丝 和 玄 武 岩 纤 维 布 混 杂 效 果 , 结 果
表 明 采 用 较 细 直 径 的 钢 丝 能 够 保 证 纤 维 和 钢 丝 之 间 的 粘 结 性 能 , 而 直 径 相 对 较 大 的 钢 丝 在 高 应 力 状
态 下 则 会 发 生 滑 移 , 影 响 材 料 整 体 性 能 [18] 。
3.3. FRP 混 杂 效 应 研 究
通 过 纤 维 之 间 混 杂 的 方 法 得 到 混 杂 FRP 材 料 , 除 了 能 够 提 升 材 料 的 基 本 力 学 性 能 外 , 混 杂 设 计
对 材 料 的 其 他 性 能 , 如 疲 劳 性 能 、 耐 久 性 能 和 耐 高 温 性 能 也 会 发 生 影 响 , 基 于 此 作 者 研 究 团 队 开 展
了 以 下 研 究 , 旨 在 揭 示 及 理 解 混 杂 设 计 对 提 升 材 料 综 合 性 能 作 用 。
[19]
(1) 纤 维 混 杂 提 升 疲 劳 性 能
由 于 相 当 一 部 分 的 土 建 交 通 基 础 设 施 处 于 循 环 荷 载 或 者 动 荷 载 作 用 下 , 如 桥 面 板 , 大 跨 桥 主 梁 ,
路 面 , 拉 索 等 频 繁 的 受 到 交 通 荷 载 和 风 荷 载 的 作 用 , 因 而 利 用 纤 维 复 合 材 料 对 这 些 结 构 设 施 进 行 增
强 或 者 建 造 , 其 耐 疲 劳 强 度 必 须 得 到 保 证 。 作 者 研 究 团 队 多 种 FRP 片 材 的 耐 疲 劳 性 能 进 行 了 长 期 研
究 , 其 中 包 括 CFRP,PBO,GFRP 和 BFRP, 依 据 JSCE-E541 [20] 规 程 对 其 疲 劳 寿 命 进 行 了 统 计 和 分
析 预 测 , 详 见 图 11 所 示 。 各 种 FRP 片 材 都 具 有 相 对 传 统 建 筑 材 料 优 秀 的 耐 疲 劳 性 能 (55% 最 大 应
力 比 、 幅 值 R=0.1、 能 够 循 环 加 载 两 百 万 次 而 不 断 裂 ), 能 够 满 足 多 数 土 建 设 施 的 疲 劳 性 能 要 求 ; 其
中 以 CFRP 和 PBO 的 耐 疲 劳 性 能 最 好 , 但 性 价 比 更 为 突 出 的 GFRP 和 BFRP 则 相 对 较 低 , 对 于 循 环
荷 载 幅 值 较 大 的 结 构 , 在 一 定 程 度 上 也 限 制 了 两 者 的 应 用 面 。 为 此 , 结 合 纤 维 混 杂 设 计 方 法 , 研 究
了 混 杂 纤 维 耐 疲 劳 性 能 , 包 括 混 杂 玄 武 岩 纤 维 - 碳 纤 维 和 混 杂 玻 璃 纤 维 - 碳 纤 维 。 试 验 结 果 显 示 ( 图
12):(1) 通 过 玄 武 岩 - 碳 纤 维 混 杂 ( 比 例 1:1), 混 杂 纤 维 布 在 循 环 荷 载 下 的 稳 定 性 能 和 耐 疲 劳 性
能 都 能 得 到 显 著 的 提 高 。 混 杂 后 的 玄 武 岩 / 碳 纤 维 复 合 材 料 在 70% 的 最 大 应 力 下 ( 幅 值 R=0.1), 能
够 维 持 两 百 万 次 循 环 而 不 发 生 断 裂 , 相 对 于 原 先 玄 武 岩 纤 维 的 55% 疲 劳 强 度 得 到 了 大 幅 提 升 。 这 一
特 征 使 得 这 种 混 杂 纤 维 布 能 够 在 循 环 荷 载 作 用 下 的 结 构 中 发 挥 更 高 的 效 率 ;(4) 在 循 环 荷 载 作 用 下 ,
玄 武 岩 纤 维 和 碳 纤 维 能 够 粘 结 良 好 , 使 得 混 杂 效 应 突 出 。 相 比 较 而 言 , 玻 璃 纤 维 和 碳 纤 维 的 混 杂 效
应 较 不 明 显 , 混 杂 纤 维 的 疲 劳 强 度 也 未 能 得 到 提 高 , 如 图 12 所 示 , 其 中 影 响 因 素 还 有 待 进 一 步 研
究 。
110%
CFRP PBO GFRP BFRP
110%
CFRP GFRP BFRP C1G2 C1B1
100%
100%
ρ=σmax/σavg
90%
80%
70%
ρ=Pmax/Pavg
90%
80%
70%
60%
60%
50%
50%
40%
-0.5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5
LogN
图 11 S-N 疲 劳 寿 命 (FRP)
40%
-0.5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5
LogN
图 12 S-N 疲 劳 寿 命 ( 混 杂 FRP)
(2) 纤 维 混 杂 提 升 冻 融 循 环 作 用 下 的 材 料 性 能
[21]
为 了 满 足 在 严 酷 环 境 下 ( 如 中 国 北 方 , 西 北 地 区 以 及 临 海 地 区 ), 结 构 的 使 用 性 能 和 安 全 性 能 ,
对 FRP 材 料 在 冻 融 循 环 作 用 下 的 性 能 进 行 了 研 究 。 试 验 依 据 《 普 通 混 凝 土 长 期 性 能 和 耐 久 性 能 试 验
方 法 标 准 (GB-T50082-2009)》 和 《 碳 纤 维 片 材 单 向 拉 伸 试 验 标 准 (GB/T 3354-1999)》 对 1B1C、
1C2B 四 种 FRP 片 材 进 行 了 冻 融 循 环 试 验 和 单 调 拉 伸 试 验 。 每 组 试 件 包 含 7 个 试 件 , 试 验 结 果 取 其
中 的 5 个 有 效 数 据 。 图 13 示 出 了 经 历 不 同 冻 融 循 环 次 数 作 用 后 的 FRP 片 材 力 学 性 能 的 平 均 值 。 总
体 而 言 , 单 一 纤 维 组 成 的 FRP 片 材 经 历 了 冻 融 循 环 作 用 后 性 能 略 有 降 低 ,BFRP 片 材 抗 冻 性 能 好 于
CFRP, 经 过 混 杂 配 置 ,FRP 片 材 的 抗 冻 性 能 基 本 未 有 降 低 , 整 体 上 好 于 单 一 纤 维 片 材 。1C1B 在 冻
融 循 环 作 用 后 三 项 拉 伸 性 能 指 标 均 高 于 未 冻 融 的 对 比 试 件 ,1C2B 试 件 在 拉 伸 强 度 和 极 限 应 变 与 1B
片 材 相 类 似 , 弹 性 模 量 指 标 较 两 种 单 一 纤 维 片 材 的 增 长 幅 度 略 低 , 但 相 对 值 仍 保 持 在 1 以 上 , 未 发
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