钢-连续纤维复合筋及其增强混凝土结构研究现状

孙泽阳,郑 忆,吴 刚

(东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏 南京 211106)

在海洋、化工等应用场合中,腐蚀问题严重影响钢筋混凝土结构的安全和耐久性[1]。纤维增强复合材料(FRP)因其强度高、耐久性好而被认为是替代钢筋的理想材料,近年来广泛应用于结构加固和工厂车间等特殊领域[2]。由于弹脆性特征、弹性模量较低、价格过高等缺点,FRP尚无法大规模代替钢筋。通过将钢材与FRP进行复合而制成的钢-连续纤维复合材料可以实现性能各异的初始弹性模量(筋材屈服前的弹性模量)和屈服后二次刚度(筋材屈服后的刚度)[3]。国内外学者提出了多种钢-连续纤维复合材料构型[4],包括钢材形态(钢筋、钢丝、钢绞线等)，纤维类型(玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维等)及不同材料比例,在优化设计的基础上,可以取得钢-连续纤维复合材料及其增强混凝土结构性能与成本的平衡点。

为了提高FRP的弹性模量,Nanni等[5-6]使用芳纶纤维交叉缠绕包裹钢筋形成混合筋,并通过混凝土梁的试验，研究混合筋的荷载-位移和裂缝发展规律。郑百林等[7]将浸渍环氧树脂的玻璃纤维缠绕于钢筋,经过加热固化得到FRP包裹筋。崔益华等[8]将碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及钢纤维进行混杂,通过冷模压法制作了混杂型复合材料加强筋(NHCR)。郝庆多等[9]将浸渍环氧树脂的玻璃纤维与钢绞线通过拉挤成型工艺,研制出玻璃纤维增强塑料(GFRP)/钢绞线复合筋。吴智深等[10]通过拉挤成型工艺将钢丝和FRP复合形成不同类型的复合板。顾兴宇等[11]将小直径钢丝与玄武岩纤维原丝复合为玄武岩纤维-钢丝复合筋。兰春光等[12]将细钢丝与光纤传感器嵌入GFRP筋内,设计出内嵌钢丝GFRP-光纤光栅智能复合筋,实现结构的智能化。

除了通过钢筋和FRP的复合实现耐久性提升和初始刚度的控制,FRP的高强度使得钢-连续纤维复合筋(SFCB)具有稳定、可控的屈服后二次刚度。普通钢筋混凝土结构在中大震下将进入弹塑性阶段,震后产生的残余位移离散性较大[13],不利于震后评估与修复。吴智深等[14]首先提出利用SFCB从材料层面上来实现增强混凝土结构损伤可控的观点,为实现结构震后可修复性、“中震可修”等提供有效手段。本文主要对钢-连续纤维复合材料产品(筋、板、索等)、SFCB/混凝土黏结性能和SFCB增强混凝土结构性能的研究进展进行了介绍。

1 钢-连续纤维复合材料产品及其力学性能

罗云标等[15]在对实验室条件下手工制备的SFCB进行力学性能试验的基础上,对SFCB构型进行优化:采用带肋钢筋为内芯、肋间缠绕横向纤维以提高钢和FRP的界面性能,得到了相对理想的SFCB构造(图1)。对现有FRP筋材拉挤成型设备进行改造,实现了将一体化拉挤成型工艺应用于SFCB规模化生产,可进一步保证SFCB中钢筋和FRP界面的可靠黏结。钢丝-FRP、钢绞线-FRP、钢板-FRP等产品的生产可参照类似工艺,针对产品特点对设备进行改造,从而实现工厂化批量生产[10],解决手工制作带来的材料内部界面性能不稳定、填充效率不足等问题。

图1 钢-连续纤维复合筋(SFCB)[15]Fig.1 Steel-FRP composite bar (SFCB)[15]

1.1 钢-连续纤维复合材料产品拉伸力学性能

1.1.1 SFCB拉伸力学性能

SFCB的单调和往复拉伸试验[3]表明:试件先后经历钢筋屈服、纤维断裂、钢筋断裂3个阶段(图2)。在初始阶段,钢筋与纤维共同受力,当应变达到约0.2%时内芯钢筋开始进入屈服,应力增幅水平放缓,此阶段增加的荷载由纤维外包覆层承担,直至纤维断裂。整个破坏呈现出明显的阶段性,体现了材料稳定可靠的二次刚度。SFCB的长期力学性能与FRP外包覆层类似,但对SFCB相关性能如疲劳、徐变、松弛等的研究较少。在氯盐腐蚀条件下,SFCB初始弹性模量、屈服强度、屈服后二次刚度、极限抗拉强度等略微下降;在长期荷载与氯盐腐蚀耦合作用下,SFCB存在较明显塑性强化阶段[16]。

图2 SFCB单向拉伸力学性能[3]Fig.2 Uniaxial tensile mechanical properties of SFCB[3]

假设FRP外包覆层与内芯钢筋在工作时变形协调不发生相对滑动,并忽略环氧树脂对承载力的贡献,通过复合法则[17]推导出单轴加载下SFCB理论应力-应变关系,如式(1)所示,试验测得的应力-应变曲线与理论值吻合较好。

(1)

式中:σsf和εsf分别为SFCB应力和应变,EⅠ为SFCB屈服前弹性模量,EⅡ为SFCB的二次刚度,fsfy和εsfy分别为SFCB的屈服应力和屈服应变,εsfu为SFCB纤维断裂的极限应变,fsfr为SFCB的剩余强度。

1.1.2 GFRP/钢绞线复合筋拉伸力学性能

郝庆多和欧进萍[18]为了提升GFRP筋的弹性模量,采用拉挤成型工艺生产了GFRP/钢绞线复合筋。在加载至极限荷载的90%前,GFRP/钢绞线复合筋的应力-应变曲线基本保持线性;当内部钢绞线接近被拉断时,复合筋进入类似屈服的非线性阶段,其力学性能变化可通过复合材料混杂原理解释(图3)。

图3 GFRP/钢绞线复合筋拉伸力学性能[18]Fig.3 Mechanical properties of GFRP/steel wire composite rebar under tensile loading[18]

1.1.3 钢丝-玄武岩纤维复合板/拉索拉伸力学性能

研究表明:在FRP板钢结构加固中,FRP板的弹性模量为核心因素之一[19]。钢丝-玄武岩纤维复合板[10]综合了钢丝制品与FRP制品的特点,具有良好的耐腐蚀性能、较高的强度及初始弹性模量、成本比碳纤维板低。试验表明:复合板的钢丝与FRP具有很强的协同工作能力(图4(a)),材料内部界面性能良好,且其弹性模量随复合板内钢丝体积分数的增大而提高[20]。钢丝-连续纤维复合板能够有效提高加固梁的承载力及刚度;在保证加固梁延性的同时,能够抑制裂缝的发展[21],加固性能良好,有望在某些场合代替FRP板进行结构加固补强。

钢丝-玄武岩纤维复合拉索运用于大跨拉索结构中,可以避免产生钢拉索面临的腐蚀、疲劳等问题。与碳纤维拉索相比，不易产生震动且造价更低。Wang等[22]发现通过调整拉索内纤维的排列方式、复合比例，可以改善拉索的短期与长期力学性能(图4(b)),为超大跨径桥梁的建设提供更多选择。

图4 典型钢丝-连续纤维复合板/拉索拉伸力学性能Fig.4 Typical tensile mechanical properties of steel wire-FRP composite plate/cable

1.2 SFCB往复拉压力学性能

结构在地震过程中会经历往复位移,纵筋的往复拉压行为对于结构抗震设计与评估至关重要,较大长径比(长度/直径超过4～8)的筋材受压时可引发屈曲破坏[23]。由于SFCB特殊的复合构造特性,其往复拉压性能相较于钢筋更为复杂。Tang等[24]对不同长径比的SFCB往复拉压性能进行了试验研究,结果表明:SFCB的外纤维层开始劈裂或断裂前,其往复拉压过程中的拉伸和压缩行为几乎是对称的;SFCB的外纤维层初始破坏后,由于内芯钢筋逐渐屈曲而使得其往复拉压性能产生“双向削弱效应”(图5(a)),进而依据SFCB不同材料截面应力状态的变化将卸载和重新加载阶段细分,提出了无侧向约束条件下SFCB往复拉压滞回模型(图5(b)),可为极限状态下考虑SFCB屈曲对混凝土结构性能的影响提供依据。

图5 SFCB往复拉压力学性能[24]Fig.5 Mechanical performance of SFCB under cyclic loading[24]

2 复合筋/混凝土的黏结性能

SFCB的外侧为FRP,因此SFCB/混凝土的黏结性能和相应FRP筋/混凝土的黏结性能有共同点。薛伟辰等[25]对GFRP筋/混凝土黏结性能进行了较为系统的研究,得到了基本锚固长度及黏结强度的计算表达式及设计建议。此外,众多学者[26-27]探究了不同试验方法(标准拉拔和梁式试验)、约束状态和应力条件对FRP筋/混凝土黏结强度、加载端滑移、黏结刚度的影响。

2.1 GFRP/钢绞线复合筋/混凝土的黏结性能

郝庆多等[28]研究表明:GFRP/钢绞线复合筋的肋间距对复合筋峰值黏结强度和加载端滑移影响较大,当肋间距为复合筋直径的1倍时,GFRP/钢绞线复合筋综合黏结性能最佳,且复合筋与混凝土界面性能优于常规纯FRP筋[29]。高丹盈等[30]研究发现:GFRP/钢绞线复合筋/混凝土的黏结性能较GFRP筋/混凝土有所提高,但较钢筋/混凝土略有降低。复合筋直径、埋置长度、混凝土强度、混凝土保护层厚度、混凝土浇筑深度等参数均对GFRP/钢绞线复合筋/混凝土的黏结性能有所影响,文献[31]通过试验修正了相关系数,得到了黏结滑移限值与基本锚固长度计算公式，并提出了GFRP/钢绞线复合筋/混凝土黏结滑移本构模型。

2.2 SFCB/混凝土的黏结性能

SFCB与混凝土拉拔试验结果表明:其黏结强度约为同等条件下带肋钢筋与混凝土黏结强度的94%[32]。通过表面喷砂[33]和优化肋构型可有效提高黏结强度和残余黏结强度。反复拉伸荷载作用下SFCB/混凝土界面性能研究结果表明:在等应力幅加载下,随着循环次数的增加,加载端滑移的增量逐渐减少,最后逐渐稳定为2 mm;随着循环次数的增加,加载刚度急剧增大后逐渐趋于稳定,而卸载刚度呈现下降的趋势并最终趋于稳定(图6)[34]。

图6 反复拉伸荷载作用下SFCB/混凝土界面性能[34]Fig.6 Bond performance between SFCB and concrete under cyclic tensile loading[34]

在腐蚀环境下,SFCB/混凝土的短期与长期黏结性能表现良好[35],使其在海砂混凝土、海水海砂混凝土、全珊瑚混凝土等介质中的运用成为可能。海砂中的盐分可能会使微孔隙溶液的碱性降低,从而延缓外覆层的退化速度,提高SFCB在碱性环境中的耐久性[36]。在盐溶液中干湿循环6个月后,SFCB/海砂混凝土的黏结强度无明显减弱,甚至有所加强[37]。温度的升高与腐蚀龄期的延长会削弱SFCB/混凝土的黏结性能[35];荷载水平和NaCl浓度的提高使其极限黏结强度明显降低[16],且海水浸泡比干湿循环下黏结性能退化更为严重[36]。

在SFCB增强混凝土节点核心区纵筋过密或装配式高效连接采用并筋时,集束SFCB/混凝土的黏结性能会有一定退化,初步试验结果表明:双筋和三筋集束使得相应SFCB/混凝土界面黏结强度分别降低了约12.3%及31.2%(图7)[38]。通过黏结单元可以较好地模拟复合筋与混凝土界面黏结性能随布筋方式的变化规律[39],相应混凝土梁的荷载-位移、纵筋应变发展规律等数值模拟结果与实验结果吻合较好。

图7 不同集束方式下SFCB/混凝土界面性能[38]Fig.7 Interface performance between SFCB and concrete with different amount of bundles[38]

3 SFCB增强混凝土梁/板

3.1 SFCB增强混凝土梁试验

通过将FRP筋布置在混凝土梁角部或双层布筋中的外侧可以延缓钢筋的锈蚀,进而提升钢筋-FRP筋混杂配筋混凝土梁的耐久性[40-41]。SFCB增强混凝土梁的破坏形式、临界状态等特征与钢筋-FRP筋混杂配筋混凝土梁的破坏模式较为接近。试验表明:混杂配筋混凝土梁的受力过程可分为梁开裂前、梁开裂后筋材屈服前、筋材屈服后纤维拉断前、纤维拉断后等阶段[42]。

SFCB增强混凝土梁在筋材屈服后荷载增幅大于传统钢筋混凝土(RC)梁,荷载-挠度曲线有明显屈服点及二次刚度[43]。在相同初始刚度情况下,SFCB增强混凝土梁的抗弯极限承载力低于FRP筋增强混凝土梁的,但其延性增长明显(图8)。与传统RC梁相比,SFCB增强混凝土梁的裂缝数量较少,但裂缝间距与宽度较大。SFCB增强混凝土梁受剪时,斜截面的抗裂性能低于普通RC梁的[44],其抗剪承载力与剪跨比呈负相关，与纵筋配筋率呈正相关。

图8 SFCB增强混凝土梁与RC梁荷载-挠度曲线对比[43]Fig.8 Comparison of load-deflection curves of SFCB reinforced concrete beams and RC beams[43]

在耐久性方面,随着干湿循环腐蚀作用时间的延长,SFCB增强混凝土梁的屈服强度和极限承载力均有所降低,而屈服前抗弯刚度逐渐增大,极限挠度下降明显[45]。在荷载与海水干湿循环共同作用一年后,SFCB增强混凝土梁的抗弯承载力与屈服荷载保留率分别为62%与75%[36]。SFCB增强海砂混凝土梁延性优异,具有良好的短期力学性能与明显稳定的二次刚度,极限承载力较钢筋混凝土对照梁高10.9%[35]。通过腐蚀龄期的延长,模拟海水干湿循环条件下的SFCB海砂混凝土梁,破坏模式由SFCB屈服后混凝土压溃的适筋梁破坏,逐渐转变为SFCB拉断破坏[37-46]。在长期腐蚀条件下,梁内SFCB未出现明显腐蚀现象[35],可将最大裂缝宽度限值较普通RC梁进行放松[47-48];但屈服后二次刚度与极限强度有所下降,破坏前表现出的迹象更为明显[49]。

3.2 SFCB增强混凝土梁计算方法

3.3 SFCB增强无砟轨道板

传统无砟轨道板采用钢筋增强,对无绝缘轨道电路的一次参数(钢轨电阻、电感等)有不利影响,目前大多通过额外添加绝缘套管或卡子进行绝缘处理。SFCB由于外侧FRP具有绝缘性能,将其运用于增强无砟轨道板中具有特殊优势。Yang等[53]依据铁路相关检测方法[54]对空钢轨电阻和电感、有轨道板钢轨电阻和电感进行了试验,结果表明:距离钢轨相同高度下,SFCB增强无砟轨道板对钢轨电阻的影响减小至70.2%～74.42%,有效降低了增强材料对钢轨一次参数的影响。

3.3.1 静力性能

采用四点加载方式与三点加载方式开展SFCB轨道板静力试验,结果表明:采用与RC板配筋等刚度原则配置的SFCB增强无砟轨道板在位移延性上和RC板相当;在极限承载力方面,跨中截面和轨下截面试验值分别为对应RC板的111.9%和111.67%;在裂缝发展方面,SFCB增强无砟轨道板屈服前裂缝宽度略大于对应RC板的,而屈服之后的二次刚度有效地限制了裂缝扩展[55]。在试验的基础上,文献[56]提出了在工作荷载作用下考虑无砟轨道板受拉刚度和部分预应力的残余变形计算方法,从而反映无砟轨道板裂纹扩展过程。现有规范中构件抗剪承载力预测公式未考虑应变软化、受拉刚度等因素,抗剪承载力计算值与试验值偏差较大。

3.3.2 疲劳性能

Yang和Wu[57]通过等幅和变幅的疲劳试验研究了无砟轨道板在不同荷载条件下的疲劳性能,结果表明:SFCB增强无砟轨道板在3×106次疲劳循环之后,裂缝宽度仅为0.15 mm;在更高荷载水平下,普通钢筋增强轨道板已接近断裂,而SFCB增强无砟轨道板刚度仅降低了23.3%。因此,SFCB增强无砟轨道板相对普通钢筋增强轨道板具有更高的疲劳寿命和更好的安全性能(图9)。

图9 SFCB增强无砟轨道板疲劳试验结果[57]Fig.9 Fatigue test results of SFCB reinforced ballastless track slab[57]

4 SFCB增强混凝土柱的抗震性能

钢筋的弹塑性特征使普通RC结构震后残余位移离散程度高，造成修复困难,大量学者开展了屈服后二次刚度对结构抗震性能影响的研究。Lee等[58]提出双折线弹塑性强化模型,当二次刚度比(屈服后刚度/初始刚度)小于0.05时,地震力调整系数随着二次刚度比增大而增大。Ye等[59]通过研究屈服后刚度对建筑结构地震响应的影响发现,结构的二次刚度比大于0.2时,结构弹塑性地震响应具有较好的稳定性。Pettinga等[60]的数值分析结果表明:在同样的卸载位移下,二次刚度比越大的混凝土柱残余位移越小,二次刚度比超过0.05的桥墩残余位移离散性显著减小。郝建兵等[61]研究了不同参数双折线单自由度(SDOF)体系的残余变形响应与地震强度指标的相关性,并回归分析了等强度残余位移谱。吴京等[62]基于给定延性系数下SDOF体系伪加速度和地震强度之间的规律,提出了特定地震波下结构响应的直接计算方法。

4.1 SFCB增强混凝土柱拟静力试验

东南大学吴刚课题组[63-64]的试验研究表明:合理控制钢与FRP的混合比例(rsf)可有效提高混凝土柱的抗震性能并控制损伤速率。在不牺牲耗能能力的前提下,SFCB增强混凝土柱rsf=0.03时,相同柱顶侧移下SFCB增强混凝土柱对柱脚平均曲率的需求可大大小于RC柱(图10)。利用SFCB的高强度特征,可更有效地提高柱的抗弯承载力,实现“强柱弱梁”的抗震目标[65];在SFCB抗连续倒塌方面,黄振涛[66]试验研究表明:由于二次刚度作用,SFCB增强混凝土框架的承载力和剩余强度均有一定的提升,SFCB二次刚度比在30%左右时,结构的抗连续倒塌表现相对最优。

图10 柱脚平均曲率随柱顶侧移变化[63]Fig.10 Demand of average curvature of column base with the development of column lateral displacement[63]

当结构耐久性的需求不高时,在混凝土内混杂配置钢筋和FRP筋可以实现结构可控的屈服后二次刚度,与SFCB增强混凝土结构具有类似的抗震性能。王旭阳[67]研究表明:增大FRP/钢筋混合比例有助于延缓承载力退化,提升延性并减小残余位移。蔡忠奎[68]试验表明:在基本不牺牲耗能能力的前提下,混杂配筋拼装式桥墩相比于传统现浇柱,其屈服后刚度比提高了68%～278%,残余位移减小了26%～48%,且位移延性和承载力亦有较明显增大。Ibrahim等[69]研究表明:通过合理地弱化塑性铰区SFCB与混凝土之间界面的结合力(图11),使得柱脚的SFCB塑性应变不再集中于底部,进而可提升混凝土柱极限承载力(15.8%)和相应的极限变形能力。

图11 柱脚部分无黏结的SFCB增强混凝土柱纵筋屈曲[69]Fig.11 Buckling of longitudinal bars in SFCB reinforced concrete column at the column base[69]

4.2 SFCB增强混凝土柱数值分析

孙泽阳等[70]利用OpenSees软件对SFCB及其增强混凝土结构单调和往复作用下的性能进行了模拟,进而研究了SFCB增强混凝土柱在不同地震波激励下的最大位移和残余位移响应特征,结果表明:在8度大震作用下,SFCB二次刚度比>0.15时可以实现较小震后残余位移。在40条含脉冲波(Pulse)的地震动下，SFCB增强混凝土柱的动力响应易损性分析表明:rsf的增大可以大幅提高残余位移的稳定性(CR),rsf=0.150时保持CR在稳定范围内的柱顶变形能力约为rsf=0.001时的2.2倍。超越可修复限制(1%残余侧移率)的概率随着rsf的增大而减小(图12),可为量化分析SFCB增强混凝土柱的损伤及设计提供依据。

图12 SFCB残余侧移率为1%时的超越概率[71]Fig.12 Exceeding probability when SFCB residual displacement of 1%[71]

4.3 SFCB增强混凝土柱振动台试验

为了研究不同混杂配筋形式对混凝土柱抗震性能的影响,Sun等[72]根据等初始刚度原则,设计了相应的SFCB增强混凝土柱,选取1940年近场地震El centro波南北方向分量作为输入波进行加载(图13),试验结果表明:RC柱拥有相对较高的初始自振频率与初始刚度,随着裂缝的发展,RC柱的自振频率降低速度大于SFCB增强混凝土柱的。在不同混凝土柱的柱台输入波地面运动峰值加速度(PGA)相近时,SFCB增强混凝土柱和混杂配筋柱的FRP筋锚固区应变可以达到RC柱钢筋峰值应变的2倍左右;随着柱台输入波PGA增大,RC柱塑性铰区应变集中明显,相应位置的残余应变较大。SFCB增强混凝土柱和混杂配筋柱均可以使塑性应变分布更为均匀,进而减小相应位置的残余应变。

图13 振动台试验[72]Fig.13 Shaking table test[72]

5 结语

本文针对多种复合筋、板、索等钢-连续纤维复合材料产品的基本性能进行了简要介绍,综述了SFCB的力学性能、与混凝土的黏结性能、增强混凝土梁/板性能以及增强混凝土柱抗震性能的研究现状。

1)钢-连续纤维复合产品日趋多样化,钢材包括钢丝、钢筋、钢板等,连续纤维包括玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维等。钢材和纤维之间的界面(钢材外表面为光圆、月牙肋、螺旋肋等)，连续纤维种类，增强树脂(环氧基、乙烯基)等均具有很强的可设计性。

2)SFCB在往复拉压荷载作用下由于内芯钢筋与外侧FRP相互作用而具有“双向削弱”效应。SFCB与混凝土在单向拉伸和往复拉伸荷载作用下的力学性能骨架曲线相近,通过设计SFCB表面肋参数以及选择并筋等高效配筋形式可实现不同的界面黏结性能控制效果。

3)SFCB增强混凝土梁具有可控的屈服后刚度,其裂缝宽度相对于等刚度RC梁而言略大。在疲劳荷载作用下,普通钢筋增强轨道板已接近断裂时,相应SFCB增强无砟轨道板刚度仅降低了23.3%。SFCB增强混凝土柱相对于RC柱,在相同柱顶侧移下,对柱脚平均曲率的需求较小;振动台试验也证明了SFCB增强混凝土柱的塑性铰区应变分布更为均匀,因此可以实现地震作用下较小的震后残余位移。

4)经过一系列的理论和试验研究,钢-连续纤维复合材料衍生出非常丰富的系列产品,然而针对系列产品和相关增强构件/结构的设计标准有待制定;SFCB/高强混凝土的界面黏结性能取决于外侧FRP的抗剪性能,如何结合高性能混凝土进一步提升SFCB增强结构的使用性能和极限状态性能有待深入研究;SFCB的二次刚度具有高度可设计性,在地震等反复荷载作用下,考虑加载历史等累积损伤的SFCB增强混凝土柱的演化机制尚需进一步明确,相应多目标设防的结构设计理论尚需进一步完善。