面对腐蚀环境的复杂环境工程, 尤其是近海工程, 国内FRP筋的应用需求正在逐渐加大, 由于具有高强度、全无磁等优点, 在某些特殊领域将替代钢筋, 与混凝土共同发挥作用^{[1,2,3,4,5,6]}。在FRP筋混凝土构件中, FRP箍筋强度直接影响构件寿命, 由于组成 FRP 筋的纤维各向异性, 其横向抗剪强度及树脂的抗剪强度均较低。弯折 FRP 筋制成箍筋时, 受弯部分既承受轴向拉力, 又承受混凝土对其产生横向的力, 使其处于复杂受力状态。此外, 弯曲加工使FRP 筋内侧纤维褶皱扭曲, 这些都会导致 FRP 箍筋弯曲部分抗拉强度降低, FRP 箍筋的抗拉强度取决于弯折处的弯拉强度。R.D.MORTHY等^[7]研究了箍筋材料类型、弯曲半径和混凝土强度等因素对CFRP箍筋和AFRP箍筋抗拉强度的影响。试验结果表明:所有FRP箍筋都在弯折处发生破坏, 并且随着弯曲半径的减小, FRP箍筋的抗拉强度也显著降低。J.CURRIER等^[8]采用CFRP箍筋和AFRP箍筋, 将箍筋两端分别浇筑于2个混凝土试块内, 布置上、下2层箍筋, 将千斤顶放置于混凝土试块之间施加荷载, 考虑了弯曲半径对FRP箍筋抗拉强度的影响。试验结果表明:FRP箍筋弯折处的抗拉强度为直线段抗拉强度的23%, 增大箍筋弯曲半径可以防止箍筋在弯折处遭到破坏。

国外的研究方法具有一定的局限性, 周期长且测试结果包含混凝土的黏结作用, 而国内尚无标准的试验方法。本文采用国内市场上常见的几种箍筋, 对箍筋类型、弯折半径、生产工艺、拉伸速率进行研究, 对测试方法提出合理建议, 用以测定FRP箍筋的弯拉强度 (弯折处的抗拉强度) , 为FRP箍筋在土木工程中的应用提供参考。

试验分别采用CFRP矩形断面箍筋A型和B型, 直径8mm的碳纤维和玻璃纤维混杂箍筋C型, 以及碳纤维网格箍筋D型, 名义截面积18mm²。其表面形态如图1所示, 相应参数如表1所示。

对于A型, B型, D型箍筋, 采用在试验装置上直接安装的方法进行试验, C型箍筋为非封闭箍筋, 由于复合材料箍筋横向抗剪强度较低, 为了避免直接夹持过程中试件被夹碎, 把C型箍筋截成U形箍筋, 两端采用钢套筒内灌树脂黏结剂锚固, 锚固长度250mm。

根据国内箍筋的生产情况以及现有相关标准参考方法, 试验对横截面宽度、断面宽度、弯折半径、生产工艺、拉伸速率等影响因素进行试验研究与分析。试验装置采用自主研发的试验夹具。拉伸试验在微控电子万能试验机上进行, 分别采用荷载传感器和引伸计测量箍筋的弯拉强度和应力-应变曲线, 如图2所示。

试验中发现, 对于A型、B型及C型箍筋, 当拉力约达到极限拉力的60%后, 试件会不断出现小而清脆的响声。分析其原因, 主要是随拉力的不断增大, FRP箍筋表面部分纤维局部被拉断, 从而产生声响, 造成应力重分布。FRP丝被拉断前, 都处于高度绷紧状态, 部分纤维丝拉断后释放的能量将使一定数量的FRP丝从试件长度方向分离出来, 随着拉力的继续增大, 在FRP箍筋最薄弱处最终破坏, 并释放出很大能量, 致使FRP箍筋弯折处最终破坏。D型箍筋是由4层碳纤维板夹3层碳纤维板, 相互叠加, 用树脂黏结而成, 所以节点的受力主要考验树脂的性能, 破坏现象温和, 4层碳纤维板和3层碳纤维板分离, 强度较小, 如图3所示。由于难以测得FRP箍筋弯折处的应变, 所以采用测定临近直线段的应变代替, 试验结果表明, 4组箍筋破坏均为脆性破坏, 应力-应变曲线为直线, 破坏时无征兆, 突然断裂。

试验中对比了A型和B型箍筋不同宽度以及不同横截面面积条件下的极限抗拉强度, CFRP箍筋由于受工艺、环境等因素的影响, 在材料表面和内部不可避免地存在许多缺陷 (微裂缝、刻痕等) , 材料的极限抗拉强度往往取决于这些随机分布的缺陷中最薄弱的环节。随着试件截面积的增大, 随机分布的缺陷也会增多, 相应的强度有所下降, 这种材料特性与最弱链理论假定相符。A型箍筋弯拉强度尺寸效应如图4a所示。由图4可得, 随着截面宽度的增加, 弯拉强度总体水平降低, 而离散性也相应增加。B型箍筋离散性随着截面宽度的增加而逐渐变大, 弯拉强度总体反映不明显, 如图4b所示。所以在实际应用时, 考虑到箍筋宽度不会太大, 测试箍筋强度时, 建议选择实际宽度, 这样可以有效地反映箍筋的真实特性, 有利于工程应用。

A型试样厚2mm, 试样拉伸强度1 086MPa, 弹性模量147.7GPa, 伸长率0.74%;B型箍筋厚3mm, 试样拉伸强度676.4MPa, 弹性模量146.08GPa, 伸长率0.46%。A型箍筋强度明显大于B型箍筋强度, 可以看出厚度加大了1mm, 强度约降低38%, 弹性模量基本没有变化。厚度增加1mm, 工艺难度增大, 质量很难控制, 所以在碳纤维板材使用时, 多采用多层碳纤维板代替同样厚度的单层碳纤维板。

CFRP箍筋试验过程中最主要的指标是拉伸速率、测试长度等, 拉伸速率是试样拉伸过程中重要的试验参数之一, 通常用试验机夹头分离速率来表征。过高或过低的加载速率都会引起试验结果不精确。如拉伸速率过低, 试样受蠕变效应的影响, 试验结果比实际值偏低;而拉伸速率过高, 由于黏弹性及冲击效应的影响, 试验结果也会出现降低现象, 并且高速率拉伸会引起机器空转、边缘夹头滑动等, 试验机速率与试样被拉伸的速率不一致, 从而无法确定准确的试验加载速率。本文对CFRP箍筋采用多种拉伸速率进行拉伸试验, 结果如图5所示。从图5可以看出, A型箍筋弯拉强度先上升后降低, 在2mm/min时最大, 强度达到1 086MPa, 弯拉强度标准差与弯拉强度保持一致。虽然2mm/min时标准差不是最小, 但综合考虑, 拉伸速率为2mm/min时效果最佳。B型箍筋强度逐渐提高, 但离散性呈现波浪式变化趋势。在3mm/min时, 强度较高, 标准差较低, 效果较好;拉伸速率为9mm/min时, 强度虽然最高, 但与3mm/min 的强度相比基本没有提高太多, 标准差却将近翻了1倍。拉伸速率过快造成测试数据的离散性过大, 数据难以有效反映试样的真实水平。根据CFRP筋测试经验以及脆性断裂的破坏状态, 建议CFRP箍筋试验时, 拉伸速率选择2～3mm/min为宜。

CFRP箍筋大都在弯折部位发生破坏, 在横截面不变的情况下, 随着弯曲半径的减小, CFRP箍筋的弯拉强度也显著降低。本试验研发了适用于不同弯折半径的装置, 可以有效模拟箍筋的真实受力状态, 反映箍筋的真实性能。4种箍筋的测试数据如表2所示。弯拉强度与直线段强度的关系如图6所示。

从图6可以看出, 随着弯折半径与厚度比值的增加, 弯拉强度与直线段强度的比值也越大, 这符合上述规律。对于A型和B型箍筋, 弯折半径相同, 随着厚度的增加, 弯拉强度削减很大, 这主要是由于半径越大, 对生产工艺要求越高, 树脂越难以浸渍, 造成强度降低。弯折半径为0的D型箍筋, 由于不是单纯弯折, 而是4层碳纤维板夹3层碳纤维板的黏结, 弯拉强度主要靠黏结力, 不存在弯折, 所以强度很小。对于箍筋的弯折, 弯折半径越大, 强度利用率越高。

生产工艺对CFRP箍筋的影响最关键, 弯折工艺的好坏直接影响纤维的褶皱扭曲状态, 进而影响受力水平, 如D型箍筋的生产工艺 (4层碳纤维板夹3层碳纤维板) 虽然简单, 但强度也仅为86.3MPa, 是直线段强度的4%, 相对于A型和B型封闭箍筋的30%～40%差距很大, 难以最大限度地发挥箍筋的性能, 而且相对于钢筋没有任何优势 (强度低而成本高) 。对于C型箍筋, 从样品的表面形式可以看出样品表面缺陷很多, 各处截面不等, 弯拉强度为直线段强度的33.16%, 抗拉强度变异系数为19.7%, 产品很不稳定。所以对于国内的纤维箍筋市场, 工艺急需改进, 市场需要规范。

通过对以上试验的对比分析, 得出以下结论:CFRP箍筋为脆性破坏, 应力-应变曲线为直线;CFRP箍筋随着断面面积的增大, 弯拉强度明显降低;拉伸速率过快与过慢都会影响试样的抗拉强度, 建议试样的拉伸速率在2～3mm/min;弯曲加工使CFRP箍筋内侧的纤维褶皱扭曲, 这些都会导致CFRP 箍筋弯曲部分抗拉强度降低, 随着弯折半径与厚度比值的增加, 弯拉强度与直线段强度的比值也越大。通过以上试验研究表明, 自主研发的弯折装置测出的数据可以快速有效地反映CFRP箍筋的真实性能, 对CFRP箍筋的研发测试及工程应用起到一定的促进作用。