CN100361928C - 混杂纤维增强树脂复合材料混凝土复合结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

混杂纤维增强树脂复合材料-混凝土复合结构及其制造方法是一种纤维增强树脂复合材料(FRP)/混凝土复合结构技术在土木工程中的应用，该结构包括混杂FRP外包覆层、现浇混凝土芯子(21)和最小配筋率的钢筋三部分，组成矩形截面的复合结构；制造方法中，混杂FRP外包覆层与现浇混凝土芯子(21)外界面的粘结通过湿法粘结实现，湿树脂法即为其中一种湿法粘结方法，湿树脂法采用拉挤成型工艺，按纤维选择原则及混杂比例进行混杂FRP外包覆层型材的预制，随后作为模板按设计位置、标高进行支设，在其内表面直接刷上一层现场预拌的湿树脂，然后在兼作模板的混杂FRP外包覆层内绑扎或焊接最小配筋率的钢筋形成钢筋骨架，最后，现场浇入预定配合比的混凝土。

Description

混杂纤维增强树脂复合材料混凝土复合结构及其制造方法
技术领域
本发明是一种纤维增强树脂复合材料(FRP)/混凝土复合结构技术在土木工程中的应用，属于混凝土复合梁结构设计的技术领域。
背景技术
纤维增强树脂复合材料(FRP)已经在土建工程中作为钢筋的替代材料在既有结构的抗震加固、补强、新型桥梁的建造等方面得到了广泛的应用，并取得了良好的社会效益和经济效益。为发展耐久性更好、效率更高的新型桥梁，FRP/混凝土复合结构代表了新型结构的未来。
在FRP/混凝土组合结构中，高性能FRP与混凝土紧密结合为一体，共同承担荷载。它综合了FRP比强度高、比模量大、耐腐蚀、抗震性能好、耐疲劳和可设计性强的优点和混凝土抗压强度高、成本低等优势，是一种受力合理、施工便利、造价经济的新型结构形式。目前，FRP/钢筋混凝土(RC)组合结构主要包括两种结构类型——FRP管/混凝土组合结构和FRP/RC结合梁：FRP管混凝土组合结构是由在预制FRP壳体中浇灌混凝土形成的承重构件。FRP管可采用缠绕法、离心浇铸法和挤拉成形法制作；而FRP/RC结合梁是由位于受拉区域的预制FRP箱梁和位于受压区域的实心或空心的混凝土形成的梁式承重构件。这种结构被应用于耐久性更好、效率更高的新型桥梁的建造。
既有的FRP/混凝土组合结构中一般采用单一纤维增强，并且一般采用在FRP内表面制作剪切键的机械连接方法保证FRP与混凝土之间的界面粘接力和FRP与混凝土的共同作用。这样不仅造成造价高昂，影响了这种结构的推广应用，而且剪切键的存在容易造成混凝土中的应力集中，同时，容易产生受拉区混凝土的裂缝的局部化，因此造成严重的局部破坏、局部剥离，很难得到期望的结构性能。另外，受压区的FRP局部失稳问题也没有得到较好的解决。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种混杂纤维增强树脂复合材料混凝土复合结构及其制造方法，以期达到一种抗腐蚀和无保养的新型结构。该结构可用于各类桥梁以及近海结构受弯构件。
技术方案：在本发明中，混杂FRP/混凝土复合梁结构主要由三部分构成：即混杂FRP外包覆层、现浇混凝土芯子和最小配筋率的钢筋，组成矩形截面的复合结构。在该结构中，混杂FRP外包覆层又可分为两部分：主筋用FRP层和箍筋用FRP层。主筋用FRP层为与梁底面混凝土紧密粘结的FRP层，主要采用具有一定强度以上的高模量的增强纤维或由其与高延性纤维的混杂，其纤维方向与梁轴线平行，主要作用是承担拉应力，保证整个系统具有足够的刚度，同时，高延性纤维的混杂保证足够的结构韧性，相当于传统RC梁中的主筋；箍筋用FRP层在主筋用FRP层的外侧，其选用低成本、高延性的增强纤维，且纤维方向为环向，以承担剪力并对现浇混凝土芯子起约束作用，作用相当于RC梁中的箍筋，箍筋用FRP层的约束作用还可防止内部主筋用FRP层与混凝土之间过早发生脱粘。最小配筋率的钢筋分为最小配筋率的箍筋、最小配筋率的受压纵筋、最小配筋率的受拉纵筋三部分。其中：最小配筋率的受压纵筋位于现浇混凝土芯子上部混凝土保护层内，最小配筋率的受拉纵筋位于现浇混凝土芯子下部混凝土保护层内，最小配筋率的箍筋沿环向四周包围最小配筋率的受压纵筋和最小配筋率的受拉纵筋，三者之间通过绑扎或焊接的方法形成骨架；主筋用FRP层与现浇混凝土芯子底面紧密粘结，箍筋用FRP层在主筋用FRP层外侧沿现浇混凝土芯子环向包裹，以承担剪力；最小配筋率的钢筋浇注于现浇混凝土芯子内，FRP层外包覆层与现浇混凝土芯子采用湿树脂粘结的方法实现粘结。
该结构为T形截面时，由梁肋和翼缘板共同组成，翼缘板位于上部受压区，梁肋的内部结构组成与前一般矩形截面相似，箍筋用FRP层在梁肋与翼缘板的交汇处通过锚固件作可靠锚固，并尽可能伸入翼缘板混凝土内形成FRP锚固段。
该结构截面角部应作半径为20～30mm的倒圆角处理；纤维选择原则及混杂比例为：主筋用FRP层采用高弹性纤维或混杂纤维，当采用混杂纤维时，可采用玻璃纤维与碳纤维混杂，其比例应取4∶1～2∶1，碳纤维用高模量纤维，箍筋用FRP层采用高延性纤维，可选用E-glass、T-glass纤维，采用成角度缠绕时，沿环向箍筋增强的±45°玻璃纤维层与90°纤维层之比率应取小于1/4；主筋用FRP层、箍筋用FRP层的基体树脂选用环氧树脂或不饱和聚酯树脂；粘结用湿树脂采用环氧树脂；最小配筋率的受拉纵筋配筋率可取用0.1％～1.0％。
混杂FRP外包覆层与现浇混凝土芯子外界面的粘结通过湿法粘结实现，湿树脂法即为其中一种湿法粘结方法，湿树脂法采用拉挤成型工艺，按纤维选择原则及混杂比例进行混杂FRP外包覆层型材的预制，随后作为模板按设计位置、标高进行支设，在其内表面直接刷上一层现场预拌的湿树脂，然后在兼作模板的混杂FRP外包覆层内绑扎或焊接最小配筋率的箍筋、最小配筋率的受压纵筋、最小配筋率的受拉纵筋形成钢筋骨架，最后，现场浇入预定配合比的混凝土，混凝土成型后，即为湿树脂法实现的混杂FRP外包覆层与现浇混凝土芯子外界面粘结。
湿法粘结的方法中，在混杂FRP外包覆层内表面直接刷上一层现场预拌的湿树脂后，均匀粘结上一层粗骨料，即为粘结粗骨料法；当混杂FRP外包覆层厚度过小、难以兼作模板的情况下，将薄型混杂FRP片材或型材铺设或架设在普通的钢模或木模表面，通过湿树脂法或粘结粗骨料法实现湿法粘结，此即为现场片材法。
该结构的截面构造主要有a)矩形截面，b)T型截面。矩形截面中，最小配筋率的箍筋、现浇混凝土芯子截面为矩形，主筋用FRP层粘结于矩形现浇混凝土芯子底边，呈一字形，箍筋用FRP层绕现浇混凝土芯子四周或U形粘贴，呈矩形或U形；T形截面由梁肋和翼缘板共同组成，翼缘板位于上部受压区，梁肋部分结构组成与前矩形截面相似，不同的是箍筋用FRP层在梁肋与翼缘板的交汇处需通过锚固件作可靠锚固，并尽可能伸入翼缘板混凝土内形成FRP锚固段。结构截面构造参见图1。
有益效果：最小配筋率的钢筋分为最小配筋率的箍筋、最小配筋率的受压纵筋、最小配筋率的受拉纵筋几部分。最小配筋率的箍筋、最小配筋率的受压纵筋起到架立作用，原则上无需使用钢箍筋；与传统混凝土构件中的受拉纵筋不同，最小配筋率的受拉纵筋在该结构中的作用只是控制裂缝分布，防止裂缝的局部集中和扩展造成FRP层的早期破断或剥离。
现浇混凝土芯子在该结构中主要承担压应力，并防止外包FRP层向内发生局部失稳。此外还为可能的与其它部件的打孔连接提供必要的支撑。结构截面可为a)矩形截面；b)T型截面。截面的圆形倒角是为了防止承载时混凝土角部对外部的FRP层造成损伤，降低承载力。
FRP与混凝土间的界面连接主要依靠化学粘接。与使用剪切键的连接方式相比，化学粘接不容易造成混凝土内部的应力集中；另一方面，化学粘接所形成的致密保护层与外部耐水性良好的FRP层一起，将现浇混凝土芯子与外界环境隔离开，可防止内部钢筋的锈蚀。
为防止矩形截面上部受压区的FRP失稳，应保证箍筋用FRP层与内部现浇混凝土芯子的粘接强度，并将环向纤维布置在FRP最外层，(次外层可根据设计需要铺设±45°的纤维)，依靠环向纤维的约束作用控制压缩失稳。
从经济角度出发，箍筋用FRP层的厚度应不大于主筋用FRP层的厚度。为避免系统承受较高载荷时剪切裂缝张开过大，造成剪切裂缝处的主筋用FRP层出现局部应力集中而破坏，设计时应保证箍筋用FRP层的刚度，且设计应变不大于0.6％。当选用高韧性纤维不能满足厚度和刚度要求时，可加入碳纤维进行箍筋用FRP层的混杂。
附图说明
图1是混杂FRP/混凝土复合梁的截面为矩形截面构造示意图；
图2是混杂FRP/混凝土复合梁的截面为T形截面构造示意图；
图3是混杂FRP/混凝土复合梁的截面为T形截面，且有FRP锚固段42构造示意图；
图4是钢和FRP的本构关系；
图5是修正前的混凝土的受压本构关系(Hognestad’s)；
图6是混杂FRP/混凝土复合梁RC与4GE/1C7(A1)的荷载-位移曲线比较；
图7是混杂FRP/混凝土复合梁RC与4GE/1.5C7(A2)的荷载-位移曲线比较；
图8是混杂FRP/混凝土复合梁RC与4GE/1C7(B1)的荷载-位移曲线比较。
具体实施方式
(1)设计基本原则
FRP材料的应力应变关系符合线弹性关系，FRP层的计算采用复合材料层板理论，忽略耦合刚度和弯曲刚度的影响。
FRP/混凝土复合梁的受弯设计中，除了符合RC正截面受弯承载力计算的基本假定外，还对FRP壳采用平截面假设，无界面滑移等假设。
采用承载力可以用纤维法进行叠代计算。所用的材料本构关系如图2和图3所示。根据实验和分析结果，由于外层FRP对混凝土的约束作用，需对混凝土的极限破坏应变进行修正，将σ-ε曲线下降段延长，使极限破坏应变提高到原来的2-3倍。FRP的破坏准则采用最大应变理论，即纤维的应变必须小于纤维的极限应变。
FRP/混凝土复合梁的抗剪承载力设计可参照FRP片材加固RC梁抗剪设计中FRP完全包裹时的设计方法。
混杂纤维增强树脂复合材料-混凝土复合结构具体包括混杂FRP外包覆层、现浇混凝土芯子21和最小配筋率的钢筋三部分，组成矩形截面的复合结构；其中：最小配筋率的钢筋分为最小配筋率的箍筋31、最小配筋率的受压纵筋32、最小配筋率的受拉纵筋33三部分，最小配筋率的受压纵筋32位于现浇混凝土芯子21上部混凝土保护层22内，最小配筋率的受拉纵筋33位于现浇混凝土芯子21下部混凝土保护层22内，最小配筋率的箍筋31沿环向四周包围最小配筋率的受压纵筋32和最小配筋率的受拉纵筋33，三者之间通过绑扎或焊接的方法形成骨架；混杂FRP外包覆层包括主筋用FRP层11和箍筋用FRP层12两部分，主筋用FRP层11与现浇混凝土芯子21底面紧密粘结，箍筋用FRP层12在主筋用FRP层11外侧沿现浇混凝土芯子21环向包裹，以承担剪力；最小配筋率的钢筋浇注于现浇混凝土芯子21内，FRP层外包覆层与现浇混凝土芯子21采用湿树脂粘结的方法实现粘结。
该结构为T形截面时，由梁肋43和翼缘板44共同组成，翼缘板44位于上部受压区，梁肋43的内部结构组成与前一般矩形截面相似，箍筋用FRP层12在梁肋43与翼缘板44的交汇处通过锚固件41作可靠锚固，并尽可能伸入翼缘板44混凝土内形成FRP锚固段42。
该结构截面角部应作半径R为20～30mm的倒圆角23处理；纤维选择原则及混杂比例为：主筋用FRP层11采用高弹性纤维或混杂纤维，当采用混杂纤维时，可采用玻璃纤维与碳纤维混杂，其比例应取4∶1～2∶1，碳纤维用高模量纤维，箍筋用FRP层12采用高延性纤维，可选用E-glass、T-glass纤维，采用成角度缠绕时，沿环向箍筋增强的±45°玻璃纤维层与90°纤维层之比率应取小于1/4；主筋用FRP层11、箍筋用FRP层12的基体树脂选用环氧树脂或不饱和聚酯树脂；粘结用湿树脂采用环氧树脂；最小配筋率的受拉纵筋33配筋率可取用0.1％～1.0％。
(2)原材料
主筋用FRP层的增强纤维为高弹性纤维，如高强度碳纤维、高弹性碳纤维、PBO纤维等。箍筋用FRP层的增强纤维为拉伸断裂应变大于2.5％的高延性纤维，如玻璃纤维，超高模聚乙烯纤维等，推荐使用高强玻璃纤维。为保证结构延性而加以混杂的高延性主筋用FRP层可用类似于箍筋用FRP。
为了提高系统的抗剪能力，可对箍筋用FRP的纤维角度进行调整。虽然当纤维角度与梁轴线成45°时系统的抗剪能力最强，但为了保证对内层FRP和现浇混凝土芯子的约束作用，设计箍筋用FRP层时必须保证50％以上纤维为90°(即环向铺设)。
FRP层的基体树脂可选用环氧树脂或不饱和聚酯树脂。建议主筋用FRP层的基体树脂采用环氧树脂。
选用高强度混凝土对提高系统的极限承载力有益，可在造价许可的情况下选用较高强度的混凝土。为了保证界面粘接强度，在采用拉挤方法制造时应在混凝土中加入适量膨胀剂。
(3)制造方法
混杂FRP外包覆层与现浇混凝土芯子21外界面的粘结通过湿法粘结实现，湿树脂法即为其中一种湿法粘结方法，湿树脂法采用拉挤成型工艺，按纤维选择原则及混杂比例进行混杂FRP外包覆层型材的预制，随后作为模板按设计位置、标高进行支设，在其内表面直接刷上一层现场预拌的湿树脂，然后在兼作模板的混杂FRP外包覆层内绑扎或焊接最小配筋率的箍筋31、最小配筋率的受压纵筋32、最小配筋率的受拉纵筋33形成钢筋骨架，最后，现场浇入预定配合比的混凝土，混凝土成型后，即为湿树脂法实现的混杂FRP外包覆层与现浇混凝土芯子21外界面粘结。
湿法粘结的方法中，在混杂FRP外包覆层内表面直接刷上一层现场预拌的湿树脂后，均匀粘结上一层粗骨料，即为粘结粗骨料法；当混杂FRP外包覆层厚度过小、难以兼作模板的情况下，将薄型混杂FRP片材或型材铺设或架设在普通的钢模或木模表面，通过湿树脂法或粘结粗骨料法实现湿法粘结，此即为现场片材法。
混杂FRP/混凝土复合梁的成功关键在于FRP与混凝土界面的粘结。粘结能提供一种均匀分布的粘结应力以实现力的传递和复合结构的共同作用，粘结不需预制螺栓孔，可避免应力集中，再之，粘结连接可有效地防止局部失稳破坏。
FRP/混凝土复合梁的制造可通过拉挤型材模板一现场浇注法来实现，即：在工厂采用拉挤成型工艺预制外增强FRP型材或者片材，然后在施工现场，以外增强FRP兼作模板现场浇注混凝土成型。拉挤成型是一种比较成熟的FRP型材生产技术，可用于成批生产各种开口结构模板。由于纤维布的成功开发，拉挤成型的型材可含有任意方向纤维，以及任意混杂比率，以保证设计需要。然后以拉挤型材为模板，在架设好最小配筋率钢筋的FRP型材内浇注混凝土。湿法粘结是本技术的关键之一，为确保固化后的现浇混凝土与FRP模板有一个良好粘结，这里给出三种现浇方法的具体实施。
1)湿树脂粘结法。在FRP拉挤型材模板到位后，表面直接刷上一层现场预拌的湿树脂，其次架设好最小配筋率钢筋，最后直接浇注混凝土。湿树脂可采用普通修复加固用的环氧树脂。在湿树脂涂刷完成后，宜待至一至二个小时(因树脂种类而异)再进行混凝土浇注，以使树脂初步凝胶，防止在浇注过程中树脂被洗去，增强湿树脂与现浇混凝土间的相互渗透。现浇过程不需特殊工具，常规振捣棒可用来密实混凝土。
2)粘结粗骨料法。在FRP拉挤型材模板制成后，模板的内表面将粘结上一层粗骨料。这一工艺最好在工厂里完成，普通修复用的环氧树脂可用来做粘结，粗骨料需洗净和烘干以保证FRP/粗骨料的粘结强度。然后，将FRP拉挤型材模板运到施工现场，在最小配筋率钢筋架设到位之后，现浇混凝土直接浇入。FRP与固化后混凝土的粘结在很大程度上依赖于粗骨料与FRP的粘结强度，均匀振捣是一个不可缺少的施工环节。混凝土的振捣推动砂浆向FRP模具表面流动，以填满空隙，完成混凝土成型。这一方法的优点还在于粘贴上的粗骨料将增强整个FRP拉挤型材模板的刚度。
3)现场片材法。当所需的外增强FRP材小于一定厚度时，FRP型材很难完全兼作模板，以及混凝土必须在现场浇注的情况下，薄型FRP片材或型材可铺设或架设在普通的钢模或木模表面，上用湿树脂法或粘结粗骨料法以实现湿法粘结。此方法具有灵活性，根据设计需要，FRP薄型片材可粘贴在任意位置作为外增强。
以上几种方法的有效性在实验室的研究中得到证实，结果表明，湿树脂法和粘结粗骨料法的粘结强度与传统的修复加固粘结强度几乎一致。
(4)其它构造要求：
矩形截面的倒圆角半径应大于20mm，推荐30mm。
最小配筋率钢筋位置的确定：由于外FRP包覆层的存在，混凝土保护层的最小厚度可以进一步减小，最小可取为15mm。
本技术与已有的FRP/混凝土组合结构相比有较大的优势，是一个创新的结构，同时，也已经充分考虑到存在的问题、难点及解决方法。同时，该技术也将作为始发于我国、普及到国际的一项源创性技术。
附：实例
下面给出一个典型混杂FRP/混凝土复合梁的四点弯曲测试结果，如附图4所示，其中FRP所用增强纤维如表1所示。
表1混杂FRP/混凝土复合梁的实例
构件编号   轴向FRP层数和纤维种类 粘结类型   环向FRP层数和纤维种类*
  1(A1)2(A2)3(B1)     4GE/1C74GE/1.5C74GE/1C7   环氧树脂环氧树脂粗骨料     4GE4GE4GE
注：GE为E玻璃纤维，C7为高弹碳纤维。

Claims (6)

1.一种混杂纤维增强树脂复合材料-混凝土复合结构，其特征在于该结构包括混杂FRP外包覆层、现浇混凝土芯子(21)和最小配筋率的钢筋三部分，组成矩形截面的复合结构；其中：最小配筋率的钢筋分为最小配筋率的箍筋(31)、最小配筋率的受压纵筋(32)、最小配筋率的受拉纵筋(33)三部分，最小配筋率的受压纵筋(32)位于现浇混凝土芯子(21)上部混凝土保护层(22)内，最小配筋率的受拉纵筋(33)位于现浇混凝土芯子(21)下部混凝土保护层(22)内，最小配筋率的箍筋(31)沿环向四周包围最小配筋率的受压纵筋(32)和最小配筋率的受拉纵筋(33)，三者之间通过绑扎或焊接的方法形成骨架；混杂FRP外包覆层包括主筋用FRP层(11)和箍筋用FRP层(12)两部分，主筋用FRP层(11)与现浇混凝土芯子(21)底面紧密粘结，箍筋用FRP层(12)在主筋用FRP层(11)外侧沿现浇混凝土芯子(21)环向包裹，以承担剪力；最小配筋率的钢筋浇注于现浇混凝土芯子(21)内，FRP层外包覆层与现浇混凝土芯子(21)采用湿法粘结的方法实现粘结。
2.根据权利要求1所述的混杂纤维增强树脂复合材料-混凝土复合结构，其特征在于该结构为T形截面时，由梁肋(43)和翼缘板(44)共同组成，翼缘板(44)位于上部受压区，梁肋(43)的内部结构组成与前一般矩形截面相似，箍筋用FRP层(12)在梁肋(43)与翼缘板(44)的交汇处通过锚固件(41)作可靠锚固，并尽可能伸入翼缘板(44)混凝土内形成FRP锚固段(42)。
3.根据权利要求1、2所述的混杂纤维增强树脂复合材料-混凝土复合结构，其特征在于该结构截面角部应作半径(R)为20～30mm的倒圆角(23)处理；纤维选择原则及混杂比例为：主筋用FRP层(11)采用高弹性纤维或混杂纤维，当采用混杂纤维时，可采用玻璃纤维与碳纤维混杂，其比例应取4∶1～2∶1，碳纤维用高模量纤维，箍筋用FRP层(12)采用高延性纤维，可选用E-glass、T-glass纤维，采用成角度缠绕时，沿环向箍筋增强的±45°玻璃纤维层与90°纤维层之比率应取小于1/4；主筋用FRP层(11)、箍筋用FRP层(12)的基体树脂选用环氧树脂或不饱和聚酯树脂；粘结用湿树脂采用环氧树脂；最小配筋率的受拉纵筋(33)配筋率可取用0.1％～1.0％。
4.一种如权利要求1所述的混杂纤维增强树脂复合材料-混凝土复合结构的制造方法，其特征在于混杂FRP外包覆层与现浇混凝土芯子(21)外界面的粘结通过湿法粘结的方法实现，湿树脂法采用拉挤成型工艺，按纤维选择原则及混杂比例进行混杂FRP外包覆层型材的预制，随后作为模板按设计位置、标高进行支设，在其内表面直接刷上一层现场预拌的湿树脂，然后在兼作模板的混杂FRP外包覆层内绑扎或焊接最小配筋率的箍筋(31)、最小配筋率的受压纵筋(32)、最小配筋率的受拉纵筋(33)形成钢筋骨架，最后，现场浇入预定配合比的混凝土，混凝土成型后，即为湿树脂法实现的混杂FRP外包覆层与现浇混凝土芯子(21)外界面粘结。
5.根据权利要求4所述的混杂纤维增强树脂复合材料-混凝土复合结构的制造方法，其特征在于湿法粘结的方法中，在混杂FRP外包覆层内表面直接刷上一层现场预拌的湿树脂后，均匀粘结上一层粗骨料，即为粘结粗骨料法。
6.根据权利要求4所述的混杂纤维增强树脂复合材料-混凝土复合结构的制造方法，其特征在于当混杂FRP外包覆层厚度过小、难以兼作模板的情况下，将薄型混杂FRP片材或型材铺设或架设在普通的钢模或木模表面，通过湿树脂粘结的方法或粘结粗骨料法实现湿法粘结。
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