CN113326609A - 具有拉伸延性和不同强度等级的hfrp杆的设计方法 - Google Patents

具有拉伸延性和不同强度等级的hfrp杆的设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113326609A
CN113326609A CN202110536703.6A CN202110536703A CN113326609A CN 113326609 A CN113326609 A CN 113326609A CN 202110536703 A CN202110536703 A CN 202110536703A CN 113326609 A CN113326609 A CN 113326609A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hfrp
rod
elongation
rods
tensile ductility
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110536703.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113326609B (zh
Inventor
高丹盈
张雨
谷志强
房栋
庞育阳
汤寄予
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhengzhou University
Original Assignee
Zhengzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhengzhou University filed Critical Zhengzhou University
Priority to CN202110536703.6A priority Critical patent/CN113326609B/zh
Publication of CN113326609A publication Critical patent/CN113326609A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113326609B publication Critical patent/CN113326609B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/26—Composites

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

本发明属于复合材料加工技术领域，具体涉及一种具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，根据工程实际需求，可制备出同时具有拉伸延性和所需目标强度等级的HFRP杆，使其从生产源头上消除了HFRP杆强度冗余带来的生产成本浪费。本发明的设计方法容易实现、原理清晰、目的明确，对推广HFRP杆在工程建设中的应用具有重要的理论意义和使用价值。

Description

具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法
技术领域
本发明属于复合材料加工技术领域，具体涉及一种具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法。
背景技术
钢筋、钢锚杆和钢绞线等钢杆在服役环境下的锈蚀已成为制约当前工程应用领域发展的主要因素之一。以钢筋混凝土柱或梁为例，由钢筋锈蚀造成的自身体积膨胀，一方面导致钢筋混凝土柱或梁的保护层脱落致使钢筋暴露在空气中，进一步加速了钢筋的腐蚀，另一方面导致锈蚀钢筋周围混凝土的开裂，从而降低了钢筋混凝土柱或梁的刚度和极限承载能力。因此，解决钢材锈蚀问题是目前工程应用领域主要的研究方向之一。
纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)杆是通过连续纤维增强树脂基体，经拉挤缠绕工艺和高温养护而形成的一种类似钢筋、钢锚杆和钢绞线的新型材料，具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、抗疲劳、非磁化、可塑性和可设计性强等优点，被认为是钢杆(钢筋、钢锚杆和钢绞线)理想的替代材料。但是，单种纤维增强树脂基体杆在拉伸荷载作用下呈现脆性破坏的特征，而两种或两种以上连续纤维增强树脂基体杆通过参数设计可实现在拉伸荷载作用下呈现塑性破坏的目的，这种由多类别连续纤维作为增强相强化树脂基体经拉挤工艺形成的FRP杆被称作混杂纤维增强聚合物(Hybrid Fiber ReinforcedPolymer，简称HFRP)杆。
为了像钢筋一样，使HFRP杆可以根据工程实际需要选用不同强度等级的产品，提高HFRP杆材料性能的利用率，提出具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，对推广混杂纤维增强聚合物杆在工程建设中的应用具有重要的理论意义和使用价值。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，根据工程应用需求，可制备出具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆，使HFRP杆的性能得到充分发挥。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明提供了一种具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，利用两种伸长率不同的连续纤维作为增强相加入树脂基体中制备HFRP杆，包含以下步骤：
设计HFRP杆拉伸延性；
确定具有拉伸延性HFRP杆的强度等级区间；
设计具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆。
进一步地，所述设计HFRP杆拉伸延性，包括：
HFRP杆在拉伸荷载的作用下，两种不同伸长率纤维先后达到自身的伸长极限而发生断裂，只要确保低伸长率纤维断裂时所释放的荷载由高伸长率纤维完全承担，并还有承担荷载继续增加的能力；因此，HFRP杆中高伸长率纤维的最小体积率为：
Figure BDA0003069904320000021
式中，VH,min为高伸长率纤维的最小体积率，VL,max为低伸长率纤维的最大体积率，EH为高伸长率纤维的弹性模量，EL为低伸长率纤维的弹性模量，εH为高伸长率纤维的极限伸长率，εL为低伸长率纤维的极限伸长率；
高伸长率纤维和低伸长率纤维在HFRP杆中的体积率应满足：
VH+VL＝1 (2)
由公式(1)和公式(2)确定在HFRP杆中高伸长率纤维的最小体积率VH,min和低伸长率纤维的最大体积率VL,max。
进一步地，所述设计HFRP杆拉伸延性，还包括：所设计的HFRP杆中低伸长率纤维的体积率VL与高伸长率纤维的体积率VH之比需满足公式(3)，即可实现HFRP杆的拉伸延性的设计目标；
Figure BDA0003069904320000031
进一步地，所述确定具有拉伸延性HFRP杆的强度等级区间，包括：
HFRP杆强度等级是由在拉伸荷载作用下的屈服强度决定的，即低伸长率纤维发生断裂时，HFRP杆所承担的应力决定；
首先根据公式(4)判别所选组分材料制备HFRP杆强度等级的下限，即目标强度等级最小值σmin；
σmin＝[VfEH+(1-Vf)Em]εL (4)
式中，Vf为HFRP杆中纤维的总体积率，EH为高伸长率纤维的弹性模量，Em为树脂基体的弹性模量，εL为低伸长率纤维的极限伸长率；公式(4)表示，当HFRP杆中纤维的总体积率Vf与高伸长率纤维的体积率VH相等，在HFRP杆中仅有高伸长率纤维作为增强相，在拉伸荷载作用下，当HFRP杆的伸长率达到低伸长率纤维的极限伸长率εL时，所承担的应力为σmin，如果制备的HFRP杆目标强度等级σ小于目标强度等级最小值σmin时，则选择该组分材料是不能实现目标强度等级σ；
同时，在制备HFRP杆中，强度等级存在一个上限，即目标强度等级最大值σmax，如果制备的HFRP杆目标强度等级σ大于σmax时，则选择该组分材料是不能实现目标强度等级σ；
σmax＝[Vf(VH,minEH+VL,maxEL)+(1-Vf)Em]εL (5)
综上所述，制备的HFRP杆目标强度等级σ满足公式(6)时，才能制备出具有拉伸延性的预设目标强度等级的HFRP杆；
σmin<σ≤σmax (6)。
进一步地，所述设计具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆，包括：
公式(6)给出具有拉伸延性HFRP杆的强度等级区间，从该强度等级区间选择一个目标强度等级σ，根据公式(7)可得制备具有拉伸延性HFRP杆的目标强度等级为σ时，在该HFRP杆中高低伸长率纤维的体积率之比；
Figure BDA0003069904320000041
由公式(7)解得：
Figure BDA0003069904320000042
由公式(8)即可得到具有拉伸延性HFRP杆的目标强度等级为σ时，高、低伸长率纤维在HFRP杆中分别占有的体积率
Figure BDA0003069904320000044
和
Figure BDA0003069904320000045
最后，将
Figure BDA0003069904320000046
和
Figure BDA0003069904320000047
代入公式(3)进行验证，验证是否满足HFRP杆的拉伸延性设计目标，若
Figure BDA0003069904320000043
验证通过。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，根据工程实际需求，可制备出同时具有拉伸延性和所需目标强度等级的HFRP杆，使其从生产源头上消除了HFRP杆强度冗余带来的生产成本浪费。本发明的设计方法容易实现、原理清晰、目的明确，对推广HFRP杆在工程建设中的应用具有重要的理论意义和使用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例三的具有拉伸延性和不同强度等级的碳/玻HFRP杆在总纤维体积分数为55％时的拉伸应力-应变曲线；
图2是本发明实施例三的具有拉伸延性和不同强度等级的碳/玻HFRP杆在总纤维体积分数为65％时的拉伸应力-应变曲线；
图3是本实施例三的试验方案的设计值与实际值。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
本实施例的具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，利用两种伸长率不同的连续纤维作为增强相加入树脂基体中制备HFRP杆，该HFRP杆同时具有拉伸延性和所需目标强度等级，该设计方法包含以下步骤：
步骤S11，设计HFRP杆拉伸延性。
HFRP杆在拉伸荷载的作用下，两种不同伸长率纤维先后达到自身的伸长极限而发生断裂，只要确保低伸长率纤维断裂时所释放的荷载由高伸长率纤维完全承担，并还有承担荷载继续增加的能力，因此，HFRP杆中高伸长率纤维的最小体积率为：
Figure BDA0003069904320000061
式中，VH,min为高伸长率纤维的最小体积率，VL,max为低伸长率纤维的最大体积率，EH为高伸长率纤维的弹性模量，EL为低伸长率纤维的弹性模量，εH为高伸长率纤维的极限伸长率，εL为低伸长率纤维的极限伸长率。
且高伸长率纤维和低伸长率纤维在HFRP杆中的体积率应满足：
VH+VL＝1 (2)
在已知两种纤维材料参数的情况下，由公式(1)和公式(2)可确定在HFRP杆中高伸长率纤维的最小体积率VH,min和低伸长率纤维的最大体积率VL,max。当VH,min和VL,max确定后，只要确保所设计的HFRP杆中低伸长率纤维的体积率VL与高伸长率纤维的体积率VH之比满足公式(3)，即可实现HFRP杆的拉伸延性的设计目标。
Figure BDA0003069904320000062
步骤S12，确定具有拉伸延性HFRP杆的强度等级区间。
HFRP杆强度等级是由在拉伸荷载作用下的屈服强度决定的，即低伸长率纤维发生断裂时，HFRP杆所承担的应力决定。因此，在进行HFRP杆不同强度等级设计时，首先要根据公式(4)判别所选择组分材料制备HFRP杆强度等级的下限，即目标强度等级最小值σmin。
σmin＝[VfEH+(1-Vf)Em]εL (4)
式中，Vf为HFRP杆中纤维的总体积率，EH为高伸长率纤维的弹性模量，Em为树脂基体的弹性模量，εL为低伸长率纤维的极限伸长率。
公式(4)表示：当HFRP杆中纤维的总体积率Vf与高伸长率纤维的体积率VH相等，在HFRP杆中仅有高伸长率纤维作为增强相，在拉伸荷载作用下，当HFRP杆的伸长率达到低伸长率纤维的极限伸长率εL时，其所承担的应力为σmin。以σmin为下限，如果制备的HFRP杆目标强度等级σ小于目标强度等级最小值σmin时，则选择该组分材料是不能实现目标强度等级σ；如果制备的HFRP杆目标强度等级σ大于目标强度等级最小值σmin时，则选择该组分材料是可以实现目标强度等级σ。
同时，如果还要赋予HFRP杆拉伸延性的特征，则在HFRP杆中，低伸长率纤维和高伸长率纤维的体积率必须满足公式(3)的要求，因此，在制备具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆中，其强度等级存在一个上限，即目标强度等级最大值σmax，如果制备的HFRP杆目标强度等级σ大于σmax时，则选择该组分材料是不能实现目标强度等级σ；目标强度等级最大值σmax可根据公式(5)来确定。
σmax＝[Vf(VH,minEH+VL,maxEL)+(1-Vf)Em]εL (5)
综上所述，只有制备的HFRP杆目标强度等级σ满足公式(6)时，才能制备出具有拉伸延性的预设目标强度等级的HFRP杆；
σmin<σ≤σmax (6)。
式中，σmax为HFRP杆确定组分材料后，目标强度等级最大值，σmin为HFRP杆确定组分材料后，目标强度等级最小值。
步骤S13，设计具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆。
根据所选择组分材料的性能参数，按照步骤S12给出的方法来确定具有拉伸延性HFRP杆的强度等级区间，从该强度等级区间选择一个目标强度等级σ；然后，根据公式(7)可得制备具有拉伸延性HFRP杆的目标强度等级为σ时，在该HFRP杆中高低伸长率纤维的体积率之比。
Figure BDA0003069904320000081
公式(7)中，Vf、EH、EL、Em、εL和σ均为已知参数，
Figure BDA0003069904320000084
和
Figure BDA0003069904320000085
分别对应强度等级为σ时，高、低伸长率纤维在HFRP杆所占有的体积率，可通过公式(7)解得：
Figure BDA0003069904320000082
将已知参数代入公式(8)中，即可得到具有拉伸延性HFRP杆的目标强度等级为σ时，高、低伸长率纤维在HFRP杆中分别占有的体积率
Figure BDA0003069904320000086
和
Figure BDA0003069904320000087
最后，将
Figure BDA0003069904320000088
和
Figure BDA0003069904320000089
代入公式(3)进行验证，验证是否满足HFRP杆的拉伸延性设计目标，若
Figure BDA0003069904320000083
验证通过。
实施例二
下面通过列举HFRP的实例，对本发明的设计方法进行清楚、完整的描述，并用试验结果对该设计方法的可行性进行验证。本实例中HFRP杆所用到的连续纤维种类为碳纤维和玻璃纤维，碳纤维作为低伸长率材料，玻璃纤维作为高伸长率材料，环氧乙烯基树脂作为基体树脂，这些组分材料的性能参数参见表1。
表1组分材料性能参数
Figure BDA0003069904320000091
首先，根据公式(1)和公式(2)可得，利用表1中的组分材料制备碳/玻HFRP杆时，在碳/玻HFRP杆拉伸延性设计中碳纤维与玻璃纤维的体积率之比需满足公式(9)：
Figure BDA0003069904320000092
上式表明：在碳/玻HFRP杆中，当碳纤维与玻璃纤维的体积率之比小于等于5/21时，才可实现碳/玻HFRP杆在拉伸荷载作用下的拉伸延性目标。
进一步地，在对碳/玻HFRP杆进行不同强度等级设计时，利用公式(4)和公式(5)确定采用表1中的组分材料制备具有拉伸延性的碳/玻HFRP杆时，所能实现的强度等级区间为：
936Vf<σ-36≤1619Vf (10)
在纤维增强聚合物杆加工技术领域，增强相纤维在杆中通常所占有的总体积率范围为45％～70％，其余部分为树脂基体的含量。因此，当HFRP杆中总纤维体积率不同时，由公式(10)可得具有拉伸延性的不同强度等级HFRP杆，即：
(1)当Vf＝45％时，由公式(10)得:
457.2MPa<σ≤764.6MPa
表明可制备出具有拉伸延性的碳/玻HFRP杆强度等级包括：500MPa、600MPa和700MPa。由公式(8)可得在这些强度等级的碳/玻HFRP杆中对应的碳纤维与玻璃纤维的体积率之比分别为1:36.3、1:10.2和1:5.6。
(2)当Vf＝50％时，由公式(10)得:
504MPa<σ≤845.5MPa
表明可制备出具有拉伸延性的碳/玻HFRP杆强度等级包括：600MPa、700MPa和800MPa。由公式(8)可得在这些强度等级的碳/玻HFRP杆中对应的碳纤维与玻璃纤维的体积率之比分别为1:17.5、1:8.1和1:5。
(3)当Vf＝55％时，由公式(10)得:
550.8MPa<σ≤926.5MPa
表明可制备出具有拉伸延性的碳/玻HFRP杆强度等级包括：600MPa、700MPa、800MPa和900MPa。由公式(8)可得在这些强度等级的碳/玻HFRP杆中对应的碳纤维与玻璃纤维的体积率之比分别为1:38.7、1:12.1、1:6.8和1:4.6。
(4)当Vf＝60％时，由公式(10)得:
597.6MPa<σ≤1007.4MPa
表明可制备出具有拉伸延性的碳/玻HFRP杆强度等级包括：700MPa、800MPa、900MPa和1000MPa。由公式(8)可得在这些强度等级的碳/玻HFRP杆中对应的碳纤维与玻璃纤维的体积率之比分别为1:19.8、1:9.5、1:6和1:4.3。
(5)当Vf＝65％时，由公式(10)得:
644.4MPa<σ≤1088.4MPa
表明可制备出具有拉伸延性的碳/玻HFRP杆强度等级包括：700MPa、800MPa、900MPa和1000MPa。由公式(8)可得在这些强度等级的碳/玻HFRP杆中对应的碳纤维与玻璃纤维的体积率之比分别为1:40.5、1:13.8、1:8和1:5.5。
(6)当Vf＝70％时，由公式(10)得:
691.2MPa<σ≤1169.3MPa
表明可制备出具有拉伸延性的碳/玻HFRP杆强度等级包括：800MPa、900MPa、1000MPa和1100MPa。由公式(8)可得在这些强度等级的碳/玻HFRP杆中对应的碳纤维与玻璃纤维的体积率之比分别为1:21.8、1:10.9、1:7.1和1:5.1。
实施例三
利用本发明提出的设计方法制备了直径为8mm、纤维总体积分数为55％和65％的两批次碳纤维和玻璃纤维混杂增强乙烯基树脂杆，对应的强度等级分别为：700MPa、800MPa、900MPa和800MPa、900MPa、1000MPa，具体的试验方案如图3所示。根据ASTM D3916-08标准测试方法，对上述具有不同强度等级的六种类型碳/玻HFRP杆在100吨万能试验机上进行拉伸试验，并用静态采集设备采集碳/玻HFRP杆在拉伸过程中的应力和应变数据。最后，对所采集到的试验数据进行分析，来验证该方法的有效性。
拉伸试验得到的碳/玻HFRP杆测试结果的应力-应变曲线如图1和图2所示。从图1和图2中可以看出，这些应力-应变曲线具有三个部分组成：线弹性段、塑性变形段和应力硬化段等。在线弹性段，应力随应变的增加呈线性增加直到碳纤维发生断裂；在塑性变形阶段，随着应变的增加应力几乎保持不变，近乎呈现出一个类似平台的过程；在应力硬化阶段，随着应变的继续增加应力仍然以近似线性的方式增加直至拉伸试件发生破坏。由此可见，根据上述设计方法制备的六种不同强度等级的碳/玻HFRP杆均达到了发生塑性破坏的目的，即具备了拉伸延性。
表2给出了制备的碳/玻HFRP杆拉伸测试结果，碳/玻HFRP杆拉伸试验值与预测值之比的平均数和变异系数分别为1.098和1.27％，说明碳/玻HFRP杆的屈服强度试验值与预测值十分接近，这也证明了利用上述设计方法可以去获得同时具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆。另外，碳/玻HFRP杆的试验值与预测值之间存在的些许误差主要是由于混杂效应造成的。混杂效应是指碳纤维在混杂杆中的破坏应变要大于单种碳纤维杆在拉伸状态下的破坏应变。这主要是由碳/玻纤维的热膨胀系数不同产生的残余应力、玻璃纤维的桥联效应和动态应力集中等多个因素造成的、在混杂杆中，混杂效应是一直存在的，它可以通过碳纤维在混杂杆中的破坏应变与单种碳纤维杆在拉伸作用下的破坏应变之间增量的比值来衡量。从表2可以看出，混杂效应是随着碳/玻HFRP杆中碳纤维含量的增大而减小的。
表2碳/玻HFRP杆的拉伸测试结果
Figure BDA0003069904320000121
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非现定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，利用两种伸长率不同的连续纤维作为增强相加入树脂基体中制备HFRP杆，其特征在于，包含以下步骤：
设计HFRP杆拉伸延性；
确定具有拉伸延性HFRP杆的强度等级区间；
设计具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆。
2.根据权利要求1所述的具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，其特征在于，所述设计HFRP杆拉伸延性，包括：
HFRP杆在拉伸荷载的作用下，两种不同伸长率纤维先后达到自身的伸长极限而发生断裂，只要确保低伸长率纤维断裂时所释放的荷载由高伸长率纤维完全承担，并还有承担荷载继续增加的能力；因此，HFRP杆中高伸长率纤维的最小体积率为：
Figure FDA0003069904310000011
式中，VH,min为高伸长率纤维的最小体积率，VL,max为低伸长率纤维的最大体积率，EH为高伸长率纤维的弹性模量，EL为低伸长率纤维的弹性模量，εH为高伸长率纤维的极限伸长率，εL为低伸长率纤维的极限伸长率；
高伸长率纤维和低伸长率纤维在HFRP杆中的体积率应满足：
VH+VL＝1 (2)
由公式(1)和公式(2)确定在HFRP杆中高伸长率纤维的最小体积率VH,min和低伸长率纤维的最大体积率VL,max。
3.根据权利要求2所述的具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，其特征在于，所述设计HFRP杆拉伸延性，还包括：所设计的HFRP杆中低伸长率纤维的体积率VL与高伸长率纤维的体积率VH之比需满足公式(3)，即可实现HFRP杆的拉伸延性的设计目标；
Figure FDA0003069904310000021
4.根据权利要求3所述的具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，其特征在于，所述确定具有拉伸延性HFRP杆的强度等级区间，包括：
HFRP杆强度等级是由在拉伸荷载作用下的屈服强度决定的，即低伸长率纤维发生断裂时，HFRP杆所承担的应力决定；
首先根据公式(4)判别所选组分材料制备HFRP杆强度等级的下限，即目标强度等级最小值σmin；
σmin＝[VfEH+(1-Vf)Em]εL (4)
式中，Vf为HFRP杆中纤维的总体积率，EH为高伸长率纤维的弹性模量，Em为树脂基体的弹性模量，εL为低伸长率纤维的极限伸长率；公式(4)表示，当HFRP杆中纤维的总体积率Vf与高伸长率纤维的体积率VH相等，在HFRP杆中仅有高伸长率纤维作为增强相，在拉伸荷载作用下，当HFRP杆的伸长率达到低伸长率纤维的极限伸长率εL时，所承担的应力为σmin，如果制备的HFRP杆目标强度等级σ小于目标强度等级最小值σmin时，则选择该组分材料是不能实现目标强度等级σ；
同时，在制备HFRP杆中，强度等级存在一个上限，即目标强度等级最大值σmax，如果制备的HFRP杆目标强度等级σ大于σmax时，则选择该组分材料是不能实现目标强度等级σ；
σmax＝[Vf(VH,minEH+VL,maxEL)+(1-Vf)Em]εL (5)
综上所述，制备的HFRP杆目标强度等级σ满足公式(6)时，才能制备出具有拉伸延性的预设目标强度等级的HFRP杆；
σmin<σ≤σmax (6)。
5.根据权利要求4所述的具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，其特征在于，所述设计具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆，包括：
公式(6)给出具有拉伸延性HFRP杆的强度等级区间，从该强度等级区间选择一个目标强度等级σ，根据公式(7)可得制备具有拉伸延性HFRP杆的目标强度等级为σ时，在该HFRP杆中高低伸长率纤维的体积率之比；
Figure FDA0003069904310000031
由公式(7)解得：
Figure FDA0003069904310000032
由公式(8)即可得到具有拉伸延性HFRP杆的目标强度等级为σ时，高、低伸长率纤维在HFRP杆中分别占有的体积率Vσ H和Vσ L；
最后，将Vσ H和Vσ L代入公式(3)进行验证，验证是否满足HFRP杆的拉伸延性设计目标，若
Figure FDA0003069904310000033
验证通过。
CN202110536703.6A 2021-05-17 2021-05-17 具有拉伸延性和不同强度等级的hfrp杆的设计方法 Active CN113326609B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110536703.6A CN113326609B (zh) 2021-05-17 2021-05-17 具有拉伸延性和不同强度等级的hfrp杆的设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110536703.6A CN113326609B (zh) 2021-05-17 2021-05-17 具有拉伸延性和不同强度等级的hfrp杆的设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113326609A true CN113326609A (zh) 2021-08-31
CN113326609B CN113326609B (zh) 2022-09-20

Family

ID=77415788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110536703.6A Active CN113326609B (zh) 2021-05-17 2021-05-17 具有拉伸延性和不同强度等级的hfrp杆的设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113326609B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040096654A1 (en) * 2002-11-16 2004-05-20 Morin Brian G. Polypropylene monofilament and tape fibers exhibiting certain creep-strain characteristics and corresponding crystalline configurations
KR20040108231A (ko) * 2003-06-17 2004-12-23 한국건설기술연구원 혼성 섬유보강폴리머 보강재 및 이를 이용한 콘크리트구조물
WO2014100142A1 (en) * 2012-12-18 2014-06-26 Pinkerton Luke Micro-rebar concrete reinforcement system
CN106354915A (zh) * 2016-08-25 2017-01-25 石河子大学 一种纤维布加固重度损伤梁的极限抗弯承载力计算方法
CN108920734A (zh) * 2018-04-20 2018-11-30 中国矿业大学 Gfrp锚杆拉伸过程细观力学分析方法
CN112454935A (zh) * 2020-11-28 2021-03-09 郑州大学 用于生产混杂纤维增强聚合物杆的拉挤模具及制备工艺
CN112651090A (zh) * 2020-12-12 2021-04-13 郑州大学 一种可替代钢制材料的延性混杂纤维增强聚合物杆材的设计方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040096654A1 (en) * 2002-11-16 2004-05-20 Morin Brian G. Polypropylene monofilament and tape fibers exhibiting certain creep-strain characteristics and corresponding crystalline configurations
KR20040108231A (ko) * 2003-06-17 2004-12-23 한국건설기술연구원 혼성 섬유보강폴리머 보강재 및 이를 이용한 콘크리트구조물
WO2014100142A1 (en) * 2012-12-18 2014-06-26 Pinkerton Luke Micro-rebar concrete reinforcement system
CN106354915A (zh) * 2016-08-25 2017-01-25 石河子大学 一种纤维布加固重度损伤梁的极限抗弯承载力计算方法
CN108920734A (zh) * 2018-04-20 2018-11-30 中国矿业大学 Gfrp锚杆拉伸过程细观力学分析方法
CN112454935A (zh) * 2020-11-28 2021-03-09 郑州大学 用于生产混杂纤维增强聚合物杆的拉挤模具及制备工艺
CN112651090A (zh) * 2020-12-12 2021-04-13 郑州大学 一种可替代钢制材料的延性混杂纤维增强聚合物杆材的设计方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CLIFTON STEPHEN 等: "Effect of Hybridization on the Tensile Behavior of Fabric Reinforced Polymer Composites - A Finite Element Analysis", 《2020 ADVANCES IN SCIENCE AND ENGINEERING TECHNOLOGY INTERNATIONAL CONFERENCES (ASET)》 *
LI, H等: "Splitting strength of hybrid fiber reinforced Concrete after exposure to elevated temperatures", 《INTERNATIONAL CONFERENCE ON GREEN BUILDING, MATERIALS AND CIVIL ENGINEERING (GBMCE 2011)》 *
刘汉东等: "GFRP锚杆拉伸力学性能试验研究", 《岩石力学与工程学报》 *
孙秀红等: "影响FRP基本力学性能的因素", 《山东建筑工程学院学报》 *
张剑等: "预应力高性能混杂纤维增强布加固HPC梁的DNLC单元研究", 《复合材料学报》 *
李国维等: "加载速率对大直径GFRP筋足尺试件抗拉性能的影响", 《岩石力学与工程学报》 *
高丹盈等: "GFRP-钢绞线复合筋与混凝土黏结机理及强度计算模型", 《建筑结构学报》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113326609B (zh) 2022-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Javadian et al. Mechanical properties of bamboo through measurement of culm physical properties for composite fabrication of structural concrete reinforcement
Shah Damage in biocomposites: Stiffness evolution of aligned plant fibre composites during monotonic and cyclic fatigue loading
Sivakandhan et al. Studies on mechanical properties of sisal and jute fiber hybrid sandwich composite
Manjunatha et al. The tensile fatigue behavior of a GFRP composite with rubber particle modified epoxy matrix
Uawongsuwan et al. Long jute fiber‐reinforced polypropylene composite: Effects of jute fiber bundle and glass fiber hybridization
Potluri et al. Mechanical properties characterization of okra fiber based green composites & hybrid laminates
Meier et al. Connecting high-performance carbon-fiber-reinforced polymer cables of suspension and cable-stayed bridges through the use of gradient materials
Dell’Anno et al. Effect of water immersion on the interlaminar and flexural performance of low cost liquid resin infused carbon fabric composites
Kumar et al. Development of E-glass woven fabric/polyester resin polymer matrix composite and study of mechanical properties
Hu et al. Enhanced flexural performance of epoxy polymer concrete with short natural fibers
Dasari et al. An assessment of mechanical behavior of glass fiber/epoxy composites with secondary short carbon fiber reinforcements
Naik et al. Enhancing the mechanical properties of jute fiber reinforced green composites varying cashew nut shell liquid composition and using mercerizing process
Sbahieh et al. A comparative life cycle assessment of fiber-reinforced polymers as a sustainable reinforcement option in concrete beams
CN113326609B (zh) 具有拉伸延性和不同强度等级的hfrp杆的设计方法
Wehsener et al. Advancements for the structural application of fiber-reinforced moulded wooden tubes
Ojha et al. Static and dynamic mechanical analyses of E-glass–polyester composite used in mass transit system
Su et al. Flexural property and design method evaluation of BFRP and steel bars hybrid reinforced concrete beams
CN112651090B (zh) 一种可替代钢制材料的延性混杂纤维增强聚合物杆材的设计方法
Kalyani et al. Study of the behaviour of FRP materials and epoxy adhesives under elevated temperature
Ko et al. Fiber architecture based design of ductile composite rebars for concrete structures
Srinivas et al. Effect of volume fraction of reinforcement layers on the mechanical properties of s-glass-carbon-epoxy hybrid composites
Chlosta Feasibility study on fiber reinforced polymer cylindrical truss bridges for heavy traffic
Lewangamage et al. A study on reinforced concrete columns partially confined with carbon fibre reinforced polymer (CFRP)
Kumar et al. Testing of mechanical properties of hybrid fiber reinforced composites
Lin et al. Application of fibre reinforced resin matrix composites in the reinforcement of high voltage transmission towers

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant