纤维增强复合材料在土木工程中的应用

纤维增强复合材料在土木工程中的应用

摘要

纤维增强复合材料是一种新型材料，具有强度高、质量轻等诸多优势，且具有良好的耐腐蚀性和耐疲劳性。纤维增强复合材料能实现对钢筋腐蚀的有效处理，且能实现混凝土结构耐久性能的大幅度提高。本文简述了纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗烈度计算以及承载力计算，浅析了纤维增强复合材料的耐久性特点，探究了纤维增强复合材料在土木工程中的应用，以期为纤维增强复合材料的应用提供借鉴。

关键词：纤维增强复合材料；土木工程；混凝土

引言：在混凝土结构中，呈碱性的混凝土在诸多侵蚀因素的不良影响下，其钢筋保护会逐渐丧失，进而导致大幅度混凝土结构的耐久性。同时，混凝土内部钢筋锈蚀会严重损害混凝土结构质量。因此，在土木工程中，采取有效技术措施和方法加强对钢筋的有效保护，并切实保障混凝土结构的耐久性和质量具有至关重要的意义。纤维增强复合材料具有较强的抗裂度和承载力，且具有显著的耐久性优势，在土木工程中得到了日渐广泛的应用。

第一章：纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗裂度计算

1、纤维增强聚合物混凝土梁正截面抗裂度计算方法

纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面在濒临开裂状态时，可采用下式对开裂弯矩进行计算：

s t c f cr W f M M M =+= （1）

在上式中，f M 表示纤维增强聚合物筋所承受的实际弯矩；c M 表示的是混凝土所承受的实际弯矩；t f 表示的是混凝土所呈现的峰值实际拉应力；s W 表示的是对混凝土梁相应受拉区域所具备的塑性变形产生的影响进行综合考虑的纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面所呈现的弹塑性实际抵抗矩[1]。

当对塑性系数m γ进行采用来对混凝土梁受拉区域所具备的弹塑性具体发展程度进行反映时，其截面应力大体上呈现出线性分布的状态，其受拉边缘部位所具备的实际应力用t m f γ表示[2]。可采用下式对开裂弯矩进行计算：

t

t m t m cr y I f W f M 00γγ== （2） 在上式中，m γ表示的是混凝土梁截面所具备的抵抗矩实际塑性系数；0W 表示的是对纤维增强聚合物筋进行混凝土转换折算，转换折算之后混凝土梁截面对受力区域边缘产生的实际弹性抵抗矩；0I 表示的是混凝土梁换算截面具备的实际

惯性矩；t y 表示的是混凝土梁受拉区域边缘部位到中心轴的实际距离[3]

。

对上式（1）和上式（2）进行比较，可得出下式： 0/W W s m =γ （3）

2、抵抗矩的表达式

（1）、弹塑性抵抗矩

通过采取综合方法进行比较，应采用以下关系式对混凝土受拉应力应变关系进行表示：

t t f εεσ= 0≤ε≤0t ε )1(00t tu t t f εεεεα

σ---=0t ε≤ε≤tu ε （4） 在上式中，0t ε表示的是与t f 相对应的混凝土峰值呈现的实际拉应变；tu ε表示的是混凝土所具备的极限拉应变；α表示的是一个系数[4]。

遵循上式（4）表示的混凝土受拉应力应变关系，可得出纤维增强聚合物筋混凝土梁处于开裂状态情况下截面呈现的实际应力分布如下图1所示：

图 1 纤维增强聚合物筋混凝土梁处于开裂状态情况下截面呈现的实际应力分布图

①、受压区高度0x

对上图1进行观察分析，可得出受压区距离中性轴y 部位混凝土的实际应力

σ可用下式进行表示：

y x h f y x h f t t

t tu 000/-=-=γεεσ （5）

在上式中，0/t tu εεγ=

可对受压区混凝土具备的合力D 、受拉区上半部混凝土具备的合力1T 、受拉区下半部混凝土具备的合力2T 以及受拉纤维增强聚合物筋具备的拉力f T 构建关系式[5]。根据静力平衡条件f T T T D ++=21，可得受压区高度0x 可用如下方程式进行表示：

t f t t t f x h x h A n a f x h b f x h b x h f x b 0

00000202)1)(2()(2)()(2--+---+-=-γγγγγ （6） 对上述方程式进行化简可得到如下式子：

A

AC B B x 2420-+-= 在化简所得的式子中，)]1)(2(1[2--+-=γγa A

f A n b

h a B 22)]1)(2(1[2γγ+--+= 0222)]1)(2(1[h A n b

h a C f γγ---+-= 在上式（6）中，c f E E n /=；0h 表示的是混凝土梁截面所具备的有效高度；f A 表示的是纤维增强聚合物筋横截面所具备的具体面积；f E 表示的是纤维增强聚合物筋所具备的实际弹性模量；c E 表示的是混凝土所具备的初始弹性模量[6]。 ②、开裂弯矩cr M

受压区混凝土所具备的内力、受拉区上半部分及下半部分混凝土所具备的内力均对中性轴分别取矩，则混凝土承受的实际弯矩可用下式表示：

t c f x h b C x h b x h x b M ])(3)()(3[20122

0030-+-+-=γ

γ （8） 在上式中，]1)2(3)23)(1([2)1)(2(1γ

γγγγ+-----=a a a C 纤维增强聚合物筋所具备拉力对中性轴进行取矩可得下式：

t f f f f x h x h A n x h T M 02

0000)()(--=-∙=γ （9）

将上式（8）和上式（9）代入上式（1）中可得：

2002020030)()(132)()(3x h x h A n x h b C x h b x h x b W f s --+-+-+-=γγγ （10） 对上式（10）进行分析可知，系数α和系数γ的实际取值对于开裂荷载的计算值具有较大的影响。对钢筋混凝土梁抗裂度的计算方法进行参考，当系数γ的取值为2时，α的值在0.7—1.0的范围之间时，开裂荷载所得的计算值与相应

的试验值具有较高的吻合程度[7]。

（2）、弹性抵抗矩

将纤维增强聚合物筋混凝土截面进行对单一混凝土截面的换算，对单一材料混凝土截面所具备的弹性抵抗矩进行计算。对图1进行观察分析可知，受压区以及受拉区对于混凝土梁截面中性轴具有相等的面积矩相，可用下式对受压区高度c x 进行表示：

f

f c A n bh h A n bh x )1()1(2102-+-+= （11） 进而可知，纤维增强聚合物筋混凝土梁换算截面所具备的惯性矩可用以下式子表示：

20330)()1(])([3

c f c c x h A n x h x b I --+-+= （12） 因此，c

x h I W -=00 （3）、相关结论

综上所述，对纤维增强聚合物筋混凝土梁而言，其实际配筋率会影响其开裂弯矩，但呈现出的影响相对较小。当纤维增强聚合物筋混凝土梁其截面呈现开裂状态时，纤维增强聚合物筋相对于钢筋而言，具有较小的作用，纤维增强聚合物筋混凝土梁可采取1.15作为其塑性系数的具体取值[8]。通过上式（4）对混凝土梁截面受拉区所具备的拉应力的具体分布情况进行反映，可构建纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗裂度的计算方法。

第二章：纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面承载力计算

2.1纤维增强聚合物筋率对极限承载力的影响

对部分纤维增强聚合物混凝土梁进行极限弯矩的试验，所得试验数据如下表1所示：