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碳纖維繩材試驗研究與分析

文檔作者：金文成王建華白金增黃琮文檔來源： 1．華中科技大學a．土木工程與力學學院；b．控制結構湖北省重點實驗室 2．秭歸縣公路管理局 3．安徽省交通規劃設計研究院		點擊數：	更新時間： 2022年08月28日
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第28卷第3期
2011年9月
土木工程與管理學報
Journal of Civil Engineering and Management
Vo1．28 No．3
Sep．2011
碳纖維繩材試驗研究與分析
金文成 ， 王建華 ， 白金增 ， 黃琮
(1．華中科技大學a．土木工程與力學學院；b．控制結構湖北省重點實驗室，湖北武漢430074；
2．秭歸縣公路管理局，湖北宜昌443600；3．安徽省交通規劃設計研究院，安徽合肥230088)
摘要：FRP筋由于已完成固化，不易改變形狀；FRP筋的彎折損傷又會造成強度折減，因此FRP筋不利于布
置為體內曲線預應力筋。純纖維繩沒有經過樹脂固化工序，具有模量高、強度高、抗折能力強等特點，可用于結
構中為混凝土施加預應力。本文基于平行布置碳纖維繩展開，分析了其強度性質和試驗表現，通過纖維繩試件
拉伸強度試驗總結得到：兩端固化中間自由的纖維繩，其破壞均在固化界面；試樣纖維強度利用率較低，但細試
件要高于粗試件。纖維繩拉伸試驗中，受固化界面的影響，繩子破壞強度低于其計算值。欲提高纖維強度利用
效率，需改進繩的生產工藝和張拉錨固技術。
關鍵詞：碳纖維； 纖維繩材； 拉伸試驗
中圖分類號：TU599 文獻標識碼：A 文章編號：2095-0985(2011】03-0355-04
鋼筋混凝土材料已廣泛應用于橋梁工程中，
但是混凝土構件中的鋼筋銹蝕問題常常表現得很
明顯。為解決這個問題，人們做了很多嘗試，包括
防銹涂層、電鍍惰性金屬、在混凝土中摻加保護劑
等，其主要思路是阻斷鋼材和誘導其銹蝕的環境
的接觸。但這都沒有改變鋼筋自身易銹的性質，
若防銹工程的施工質量不佳，抗銹蝕效果往往不
理想。因此，防銹措施不能從根本上解決鋼筋混
凝土材料的耐久性問題。用纖維加勁材料(fiber
reinforced polymer簡稱FRP)做混凝土中的加筋
材料，將會是一個有效的方法。FRP抗拉強度高、
密度小、無腐蝕性? ，抗疲勞性好 ，是良好的建
筑材料，能根本上避免混凝土結構的銹蝕問題。
因此，FRP材料具有廣闊的研究和應用前景。目
前，國內的研究工作主要集中在FRP筋的力學性
能 -61、FRP筋混凝土結構" 、FRP預應力結
構 、FRP橋梁應用研究 和利用FRP筋實現結
構監測等方面。本文的研究主要基于平行編束的
碳纖維繩開展。
1 碳纖維繩張拉試驗
因纖維繩不宜直接用夾片式錨具夾持，為克
服這個缺點，預先將纖維繩兩端夾持區用環氧樹
脂固化。根據固化段的直徑的不同，試樣可分為
兩種：D=25 mm(含T300—12K碳纖維696束)和
D=12 ram(含T300．12K碳纖維100束)。
1．1 試驗方案
將多束碳纖維絲并攏在一起，組成平行碳纖
維繩。因其中無樹脂基材，可稱之為純纖維繩；兩
端夾持區用環氧樹脂固化，可稱之為預固化段；兩
部分的交界處稱為固化界面。將試樣安裝到引伸
機器上，進行破壞性拉伸試驗，記錄拉伸過程中的
F．△ 曲線，定義曲線中F的最大值為纖維繩的極
限承載力。
從上向下，第1根為FRP筋，2、3根為纖維繩
圖1 纖維繩試件成品照片
1．2 試驗破壞形式分析
觀察破壞后的試件，可以看到：最終破壞全部
發生在固化界面上，平行纖維束部分完好，錨具夾
持部分沒有明顯破損和滑移。
試件的破壞斷口可歸納為兩種形式：(1)一
側開裂致破壞(簡稱A)。開裂點距離固化界面
較遠，從螺紋固化段一側開裂，裂縫逐漸延伸到固
化界面，形成刀鋒狀斷口。此時纖維繩被分成脫
落部和另一側的主體兩部分，脫落部的纖維已不
再受力，由剩余的主體部分纖維承受全部拉力直
收稿日期：2011-07—20
作者簡介：金文成(1958一)，男，安徽望江人，教授，研究方向為鋼筋混凝土及預應力混凝土技術(Email：87557610@163．corn)

第3期 金文成等：碳纖維繩材試驗研究與分析 ·357·
件，其抗拉強度的均值大于形態A的試件。
理論計算900 mm長纖維繩的極限強度理論
值 b=1858．9 MPa，實測值盯 。=573 MPa，材料
強度利用率叼 5=0．31。
取1#和5#試件，1#試件是A破壞形態，5#試
件是B破壞形態。繪制兩試件荷載．變形曲線如
圖5。
圖5 試件典型破壞曲線
根據荷載．變形曲線，纖維繩的受力過程和表
現可分以下四個階段。
第一階段：開始受力。千斤頂活塞剛開始頂
推時，繩材從松弛狀態逐漸受力，壓力讀數增長較
慢，位移讀數增加較快。
第二階段：第一次破壞(初始開裂)。在張力
到達一定數值后(本批試件一般是50～80 kN)，
可以聽到明顯的纖維和樹脂斷裂的噼啪聲響，固
化段外層纖維因為受力不均或材料缺陷開始破
壞。荷載有一個增長速度放緩(或者下降)的過
程。
第三階段：第二次破壞(最終破壞)。在缺陷
部位因破壞失效后，纖維絲重分布所受荷載，只有
剩余的主體纖維受力，荷載繼續增加直至最終破
壞。
第四階段：拔出階段。在試件全部失效后，纖
維絲繼續張拉而從繩束中拔出，此時因為有摩擦
力的存在，繩子的拉力沒有立即下降為0。
2．2 1)12碳纖維繩試驗結果
試驗前測量試件基本尺寸，試驗完成后根據
最大極限拉力計算試件的換算強度 將計算
數據列人表3中。
表3 試件張拉基本數據
注：￡。、Lz為兩端樹脂固化段長度，L0為中間平行纖維束長
度，口 為固化端直徑。
由表中數據樣本可計算得到，所有試件的抗
拉強度均值為1291 MPa，標準差為205．2 MPa，離
散系數為15。9％ 。
理論計算300 mm長纖維繩平均強度的理論
值 =1981 MPa，試驗值為 。=1291 MPa，材料
強度利用率叼 =0．65。
繪制試件的荷載-位移曲線，圖只給出了試件
極限荷載之前的部分曲線。
Z
-
挺
E，侈／ram
圖6 D12試件拉伸的荷載一變形曲線
可以看到，試件在達到失效前，其荷載-位移
曲線基本為直線。觀察鋼管的夾持部分，發現夾
頭齒紋對鋼管的夾痕清晰，無明顯滑移。又下夾
頭固定，上夾頭的位移增量與繩材的變形有正比
關系，故可推測試件在張拉過程中的荷載和變形
的增量也有線性關系。
D12試件在張拉過程中荷載和變形基本呈比
例增長，直至達到荷載極值后破壞，無D25試件
中明顯的兩次破壞現象。
2．3 試驗分析
D25和D12兩種直徑的纖維繩試件進行拉
伸破壞試驗。試驗結果支持以下觀點：
(1)試件制備時，先將纖維繩兩端夾持區用
環氧樹脂固化，再用夾片或鋼管錨固。試件的破
壞均出現在固化界面附近，原因是固化界面不齊
整，外側纖維比內側纖維受力大，最終在有損傷部
位率先開裂。破壞后的試件，純纖維繩段沒有損傷。
(2)D25試件試驗強度 。。=573 MPa，理論
強度o-b=1858．9 MPa，材料強度利用率叼 =
0．31。D12試件試驗強度 =1291 MPa，理論強
度 b=1981 MPa，材料強度利用率叼， =0．65。
相比于大直徑構件，小直徑構件獲得了較高的強
度利用率。
(3)對于試驗中采用的加工工藝生產的繩
材，小直徑形式構件有利于提高纖維繩的材料強
度利用效率。嘗試取消固化界面也是一種思路，
全長均做成自由纖維繩的形式或者將多根小直徑
的CFRP筋編束后受力。尚需對錨固系統和張拉
工藝做進一步研究。
· 358· 土木工程與管理學報 2011拄
3 結論與展望
本課題組仔細觀察了碳纖維繩試驗現象并分
析了試驗結果。本文主要得到以下結論：
(I)為方便纖維繩用夾片式錨具張拉和錨
固，可將纖維繩的兩端夾持部預先用環氧樹脂固
化。試驗結果表明，應用了這種方法的試件其錨
固效果是良好的。
(2)比較D25、D12兩種直徑的強度利用效
率：7／ ：> 筋。可見，用較小直徑的試件更有利于
提高纖維強度的利用效率。
本文的工作在碳纖維繩性能研究和應用探索
方面取得了一定進展，但在很多方面還有待于進
一步研究，如：
(1)雖然碳纖維繩具有良好的力學性能，但
受試驗條件和方法的限制，試驗結果不是很理想。
改進錨固張拉工藝，提高產品生產質量是材料性
能發揮作用的關鍵。
(2)纖維繩的長期受拉性能體現和抗疲勞性
能研究。
(3)纖維繩預應力混凝土的構件設計理論研究。
(4)纖維繩曲線張拉性能的試驗研究。
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Experiment Research on Carbon Fiber Rope
JIN Wen—cheng ，WANG Jian—hua ，BAI Jin-zeng ，HUANG Cong
(1．a．School of Civil Engineering and Mechanics；b．Hubei Key Laboratory of Control Structure，
Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；
2．Zigui Highway Authority，Zigui 443600，China；
3．Anhui Communications Consulting and Design Institute，Hefei 230088
， China)
Abstract：Because of the presence of resin based materials，it is not easy to change the shape of FRP bars． At
the sa／ne time，bending at the steering block caused strength reduction．In short，FRP bars are not suitable for
in—body curve prestressed reinforcement．Carbon Fiber Ropes dont have resin curing process
，it has the characteristics
of high modulus，high strength，bending ability and SO on，it can applied to imposing prestressing
force for concrete structures．The strength characteristic of the parallel—layout carbon fiber bundles and its ex．
perimental phenomena was introduced in this paper． We manufactured test carbon fiber ropes to do tension
test．In order to anchor，we cured the both ends of the samples to a shape matching with the an chor8 where the
middle part of the ropes did not contain epoxy resin．According to the study of the failure patterns
， we learnt
that：all failure occurred near curing interface．Fiber utilization rate is low
， but the strength of fine specimen
is higher than that of the thick specimen(Large diameter，low intensity)．The average strength is lower than
calculated values．The existence of the curing interface reduced the strength of the ropes． Fiber utilization rate
would be better if we improve the production process and tension anchorage technology．
Key words：carbon fiber；fibre ropes；tensile test

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