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单轴和循环拉伸载荷作用下钢纤维复合杆的力学性能
摘要：本文介绍了一种最新开发的钢-纤维复合杆，并且在大量手工制品探索性实验基础上，提出了理想的结构。在工厂生产SFCB基础上，进行了单轴拉伸试验和循环拉伸试验，得出初始弹性模量、屈服后刚度、屈服强度、极限强度、卸载刚度和残余变形。在内部钢筋屈服后，SFCB显示出稳定的屈服后刚度，更小的残余变形以及良好的可恢复性。由于在单轴荷载下SFCB的应力—应变理论模型和基于混合规则条件下从循环实验得出的数据差别很大，在循环拉伸荷载条件下相对应的恢复力模型必须通过对循环拉伸条件下应力—应变测试曲线的统计分析之后建立。所生成的恢复力模型准确显示了循环荷载作用下SFCB卸载刚度的退化趋势。同时，预测结果和实验结果相一致，这证明提出的模型能够预测和设计SFCB的力学性能。
CE数据库主题标题：Mechanical properties; Tensile loads; Experimentation.
作者关键词：Mechanical properties; Cyclic load; Experimental study; Statistical.
介绍
地震后结构的修复变得越来越重要，并且钢筋混凝土结构的屈服后刚度（结构在屈服后的刚度）能够有效减少残余变形保证良好的修复性能这一点已经被广泛认知。研究人员已经进行了探索性研究，以各种方式来实现结构的屈服后刚度。sakai和Mahin提出了一个采用纵向预应力链的设计概念，其刚度和强度可以在桥墩损坏后为结构提供屈服后刚度。这些属性可以通过改变列中包含的链数来控制。在传统的混凝土桥墩上巧妙地将粘结和非粘结钢条结合在一起，以确保结构在屈服后的刚度，从而开发出一种新的混凝土桥墩，在地震作用下具有小的残余变形和良好的修复性能。本文提出了一种新的增强杆，即钢-纤维复合杆（SFCB），它是一种由弹塑性钢和线性弹性纤维复合而成，具有稳定的屈服后刚度。frp的强度高，弹性模量低，延展性差，耐久性好，重量轻（Rizkalla and Hassan 2002），而钢则相反。结合两者的优点，这种新型复合材料可望具有优异的综合性能，如强度高、弹性模量大、延展性好、抗蚀性能好、成本低（Wu 2006, 2009）。使用SFCB作为加固材料，可以帮助实现结构的复合刚度和良好的修复。在这种新型加固钢筋基础上，新的实施于因地震引起的破坏控制结构能被更容易地建立起来。本文在对手工制品进行了大量的探索性试验后，提出了一种理想的SFCB结构。在工厂产品的基础上，进行了单轴拉伸试验和循环拉伸试验，研究了SFCB的力学性能。并且，推导并分析了单轴载荷和循环张力作用下的应力-应变关系计算模型。
SFCB的制造
SFCB的生产技术和产品
两种纤维被用于生产SFCB：日本托拉亚卡公司生产的T700-12k碳纤维和中国浙江gbf玄武岩纤维有限公司的CBF13-2400Tex。采用直径10 mm的环肋钢钢筋作为内钢杆，采用dsm复合树脂制备的树脂430乙烯环氧树脂。表1显示了每种材料的基本力学性能。
要生产性能理想的SFCB，内部钢棒和FRP的界面性能是至关重要的。对手工制造的SFCB试样进行大量单轴张力试验，包括不同类型的钢、纤维、树脂和各种界面处理；已经证明肋钢条是SFCB内芯的最佳选择，因为普通圆条与外纤维之间的粘结强度难以保证。在工厂生产中，内芯肋钢筋首先用成捆的连续纤维旋转圈起来，以填充肋之间的空间。因此，局部纤维弯曲对纵向纤维的强度和刚度的负面影响可以在很大程度上得到降低。FRP肌腱构象的成熟表面处理方法目前适用于SFCB产品，并应用于SFCB表面，以保证与外界介质的良好粘接行为。图2显示了SFCB产品的理想配置。为了实现SFCB的工厂生产，对FRP肌腱（Jacob 2004）的拉伸器进行了翻新（图3）。本研究以该方法生产的一批SFCB为研究对象。图4显示了在螺旋肋之间具有恒定间距的拉直式SFCB的工厂产品。SFCB有四种，如表2所示，其中Tex表示单束纤维每公里的重量，12k表示每束碳纤维有12,000根纤维。
测试仪器
SFCB的特殊锚固处
FRP是一种典型的各向异性材料，具有较高的轴向抗拉强度和较低的横向抗压强度。因此，传统的夹紧锚固对SFCB不起作用，因为横向抗压强度过弱会导致外部纤维过早失效（American Concrete Institute ACI 2003）。本试验采用套筒粘接锚固法（图5），以保证锚固性能，充分利用钢和纤维在SFCB中的强度。锚地外套管采用螺丝齿连接试验仪器。高强度的粘接介质保证了良好的粘接效果，满足了本试验的要求。在后来的设计阶段，其他因素也被考虑在内。首先，SFCB对准仪器中心的轴向线对测试结果至关重要。因此，调整螺母是特别设计的，以确保张力是沿着同一条直线的轴向的SFCB。第二，压力往往集中在SFCB锚地入口处。因此，为了避免这一地区过早的破坏，在当地添加了纤维布作为保护和加固的覆盖物。
sfcb的单轴拉伸性能
载入程式
试验是在一种材料试验系统（MTS）中进行的。两个传感器系统被用来测量和收集测试数据：一个是随MTS测试机而来的测量系统，另一个是外部的压力和应变传感器测量系统（图6）。这两套测量系统被用来相互校准，直到获得了整个测试过程的理想曲线。
采用位移控制的单调加载方法进行了试验。张力加载的速度最初为0.2毫米/分钟；随后，在所有的外纤维断裂后，速度增加到2毫米/分钟，直到内芯钢条失效。
样本设计
在单轴拉伸试验中有10个样品。 表3显示了测量数据。 SFCB的数量无法准确控制，因为这是工厂生产的第一批产品：尽管SFCB类型相同，但样本的直径略有不同。 将测量的直径的平均值作为该测试的SFCB直径。 用于拉伸性能测试的SFCB样品的长度各不相同，因为其中一些是从另一个测试中剩余的SFCB获得的。 但是，长度的差异不会影响拉伸测试结果。
测试结果
图7和表4给出了每种类型SFCB的单轴拉伸试验结果，其中A =横截面面积; EI =初始弹性模量; fs f y = SFCB内钢筋屈服时的强度; EII =屈服后刚度; fs f u =极限强度。图7显示了SFCB单轴拉伸试验的应力 - 应变曲线。在初始加载时，负载由内芯钢筋和外部纤维共享。当拉伸应变达到约0.002时SFCB似乎屈服。这是由SFCB在相同的应变增量下有较少但稳定增加的应力增量这一事实表示的，这意味着SFCB在内钢筋屈服屈服后刚度后表现出高刚度。由于内芯钢筋已经屈服，因此无法分担更多的负荷，并且负荷主要由外部纤维承担。随着载荷的增加，纤维在试件中部断裂后承载力达到峰值，之后迅速下降。此时，载荷仅由内钢筋承担，SFCB的承载能力不再增加。试样表现出钢的屈服首先是理想的失效模式，其次是外部纤维断裂，最后是钢纤维在断裂纤维附近的拉伸破坏。
锚固入口粘结剂锚固效果好，无明显变形或裂缝，锚端纤维覆盖后期有纵向裂缝，应加强保护力弱。 图8显示了最终的失败。 所有的失败都发生在试件中部，这表明锚固方法是有效的。 钢 - 碳纤维复合材料CFRP复合材料棒发生片状爆裂断裂; 而钢 - 玄武岩玻璃钢BFRP复合材料棒发生了线状的爆裂断裂。 这种差异的原因可能是SFCB的树脂组分与玄武岩纤维的耦合性能比碳纤维好。
SFCB应力 - 应变关系的理论计算
假设外部纤维与内部钢筋在加载过程中具有良好的界面结合和协调变形 - 即在一个部分中具有相同的应变。因此，经典混合法则可以用来预测SFCB的应力 - 应变关系。如图9所示，SFCB的内芯钢筋的单轴加载曲线采用理想的双线性塑性模型，而FRP的单轴加载曲线采用线性弹性模型。在单轴拉伸载荷下，当应变f约为0.002时SFCB开始屈服，这表现为复合材料的水平应力增量减缓，因为屈服内芯钢筋不能承受更多载荷。随着应变增加，外部纤维承受增加的载荷，其被定义为屈服后刚度并且通过具有比初始阶段更低的斜率的直线在应力 - 应变曲线上表示。 SFCB压力持续增加，直到外部纤维断裂。
根据混合规则，SFCB的拉伸性能值可以从钢和纤维的拉伸性能中获得。 如图9所示，应变区间I从零到钢的屈服。 拉伸应力sI和弹性模量EI的方程如下：
其中Es，As和y =弹性模量，横截面积和屈服应变的钢，分别; Ef和Af =外部连续纤维覆盖层的弹性模量和横截面积; 和A = As Af Ar，其中Ar是SFCB中树脂的面积。
应变区间II来自钢的屈服和外部纤维的断裂。 拉伸应力sII和模量EII的公式如下：
其中fy =钢的屈服应力，并且f u = FRP的断裂应变。
最后，应变区间III从外部纤维的断裂到钢的断裂。 在不考虑钢的强化效果的情况下，拉伸应力sIII和弹性模量EIII的方程式如下（为了与先前的研究一致，在计算其应力时采用了SFCB的面积，尽管外部纤维已经断裂）
其中，s，max =钢的断裂应变。
因此，基于上述经典理论，可以得到SFCB的应力 - 应变关系如公式7
其中，fs、fs分别为FRP/钢复合板的应力和应变；ffsy和fsy分别表示FRP/钢复合板屈服时的应力和应变，且fsy=y；ffsu和fsu分别表示FRP/钢复合板的极限应力和极限应变，且fsu=fu；ffsr为FRP/钢复合板的残余强度。将FRP/钢复合板看做一种材料，则可通过式2、式4得到EI=ffsy/εfsy, EII= (ffsuminus;ffsy)/(εfsuminus;εfsy)；其中fbsy,，fbsu与fbsr可以由εy,、εfsu和εsu通过式、1，3和式5求得。
计算值与测试值相比较
测试值与计算值的比较示于表4中。另外，通过理论计算获得的应力 - 应变曲线与测试测量得到的应力 - 应变曲线的比较如图7所示。
比较结果表明，除了几个样本外，理论模型具有很高的精度。这个误差可能是由于假定FRP没有初始弯曲并且纤维和钢筋之间的界面没有滑移，即钢筋和FRP应变在一个横截面上是相同的。实际上，所使用的钢筋是肋钢筋，与FRP的界面弯曲较小。此外，在SFCB的工厂生产中，通过缠绕塑料绳形成表面肋，以增强SFCB与混凝土之间的粘结性能，从而允许纵向纤维发生轻微挠曲（图2）。这可能会导致FRP的滞后应变。内部钢筋屈服后，当SFCB经历大的塑性变形时，钢和FRP之间的界面处可能发生相对滑动。此外，对于样本M7-C40，可能由SFCB的拉挤成型过程引起误差：首先生成S10-C40 SFCB，接着切断16根纤维束的S10-C24 SFCB以实现两种类型的转换相同的工厂产品线。因为样品C4-C40是在这个过渡时期生产的，所以它的纤维含量在24到40束之间，其机械性能也是如此
SFCB的循环拉伸性能
加载程序
在循环拉伸载荷作用下，单周期载荷施加等位移的水平差，如图10所示。在内钢屈服后，SFCB出现塑性应变。 因此，为避免卸载时出现压缩屈曲，SFCB试样的一端固定，另一端保持自由状态。 如图6所示，锚具的下端穿过一个有孔的固定钢板，并用螺母固定在上下两侧; 对于顶部的钢板，仅在板的上侧使用螺母，而使下侧不固定。 因此，SFCB样品的顶部是无压缩端，并且在循环拉伸负载期间仅经历了张力。 当试样的拉伸载荷降至0时，顶部锚具上的螺母可能与顶部固定钢板分离。
样本设计
循环拉伸载荷测试中有8个样本，其中包括6个SFCB样本和2个直径为10 mm的钢筋样本。 每个试样的数量和尺寸列于表5中。与单轴拉伸试样一样，循环拉伸试样的直径和长度也不相同; 然而，这对测试结果的分析没有负面影响。
测试结果
从SFCB试样在循环拉伸载荷下的应力 - 应变曲线可以看出，在SFCB屈服之前，SFCB的
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