孫澤陽,鄭 憶,吳 剛

(東南大學 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室,江蘇 南京 211106)

在海洋、化工等應(yīng)用場合中,腐蝕問題嚴重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全和耐久性[1]。纖維增強復(fù)合材料(FRP)因其強度高、耐久性好而被認為是替代鋼筋的理想材料,近年來廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固和工廠車間等特殊領(lǐng)域[2]。由于彈脆性特征、彈性模量較低、價格過高等缺點,FRP尚無法大規(guī)模代替鋼筋。通過將鋼材與FRP進行復(fù)合而制成的鋼-連續(xù)纖維復(fù)合材料可以實現(xiàn)性能各異的初始彈性模量(筋材屈服前的彈性模量)和屈服后二次剛度(筋材屈服后的剛度)[3]。國內(nèi)外學者提出了多種鋼-連續(xù)纖維復(fù)合材料構(gòu)型[4],包括鋼材形態(tài)(鋼筋、鋼絲、鋼絞線等)，纖維類型(玄武巖纖維、碳纖維、玻璃纖維等)及不同材料比例,在優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上,可以取得鋼-連續(xù)纖維復(fù)合材料及其增強混凝土結(jié)構(gòu)性能與成本的平衡點。

為了提高FRP的彈性模量,Nanni等[5-6]使用芳綸纖維交叉纏繞包裹鋼筋形成混合筋,并通過混凝土梁的試驗，研究混合筋的荷載-位移和裂縫發(fā)展規(guī)律。鄭百林等[7]將浸漬環(huán)氧樹脂的玻璃纖維纏繞于鋼筋,經(jīng)過加熱固化得到FRP包裹筋。崔益華等[8]將碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維及鋼纖維進行混雜,通過冷模壓法制作了混雜型復(fù)合材料加強筋(NHCR)。郝慶多等[9]將浸漬環(huán)氧樹脂的玻璃纖維與鋼絞線通過拉擠成型工藝,研制出玻璃纖維增強塑料(GFRP)/鋼絞線復(fù)合筋。吳智深等[10]通過拉擠成型工藝將鋼絲和FRP復(fù)合形成不同類型的復(fù)合板。顧興宇等[11]將小直徑鋼絲與玄武巖纖維原絲復(fù)合為玄武巖纖維-鋼絲復(fù)合筋。蘭春光等[12]將細鋼絲與光纖傳感器嵌入GFRP筋內(nèi),設(shè)計出內(nèi)嵌鋼絲GFRP-光纖光柵智能復(fù)合筋,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能化。

除了通過鋼筋和FRP的復(fù)合實現(xiàn)耐久性提升和初始剛度的控制,FRP的高強度使得鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋(SFCB)具有穩(wěn)定、可控的屈服后二次剛度。普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在中大震下將進入彈塑性階段,震后產(chǎn)生的殘余位移離散性較大[13],不利于震后評估與修復(fù)。吳智深等[14]首先提出利用SFCB從材料層面上來實現(xiàn)增強混凝土結(jié)構(gòu)損傷可控的觀點,為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后可修復(fù)性、“中震可修”等提供有效手段。本文主要對鋼-連續(xù)纖維復(fù)合材料產(chǎn)品(筋、板、索等)、SFCB/混凝土黏結(jié)性能和SFCB增強混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究進展進行了介紹。

1 鋼-連續(xù)纖維復(fù)合材料產(chǎn)品及其力學性能

羅云標等[15]在對實驗室條件下手工制備的SFCB進行力學性能試驗的基礎(chǔ)上,對SFCB構(gòu)型進行優(yōu)化:采用帶肋鋼筋為內(nèi)芯、肋間纏繞橫向纖維以提高鋼和FRP的界面性能,得到了相對理想的SFCB構(gòu)造(圖1)。對現(xiàn)有FRP筋材拉擠成型設(shè)備進行改造,實現(xiàn)了將一體化拉擠成型工藝應(yīng)用于SFCB規(guī)?；a(chǎn),可進一步保證SFCB中鋼筋和FRP界面的可靠黏結(jié)。鋼絲-FRP、鋼絞線-FRP、鋼板-FRP等產(chǎn)品的生產(chǎn)可參照類似工藝,針對產(chǎn)品特點對設(shè)備進行改造,從而實現(xiàn)工廠化批量生產(chǎn)[10],解決手工制作帶來的材料內(nèi)部界面性能不穩(wěn)定、填充效率不足等問題。

圖1 鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋(SFCB)[15]Fig.1 Steel-FRP composite bar (SFCB)[15]

1.1 鋼-連續(xù)纖維復(fù)合材料產(chǎn)品拉伸力學性能

1.1.1 SFCB拉伸力學性能

SFCB的單調(diào)和往復(fù)拉伸試驗[3]表明:試件先后經(jīng)歷鋼筋屈服、纖維斷裂、鋼筋斷裂3個階段(圖2)。在初始階段,鋼筋與纖維共同受力,當應(yīng)變達到約0.2%時內(nèi)芯鋼筋開始進入屈服,應(yīng)力增幅水平放緩,此階段增加的荷載由纖維外包覆層承擔,直至纖維斷裂。整個破壞呈現(xiàn)出明顯的階段性,體現(xiàn)了材料穩(wěn)定可靠的二次剛度。SFCB的長期力學性能與FRP外包覆層類似,但對SFCB相關(guān)性能如疲勞、徐變、松弛等的研究較少。在氯鹽腐蝕條件下,SFCB初始彈性模量、屈服強度、屈服后二次剛度、極限抗拉強度等略微下降;在長期荷載與氯鹽腐蝕耦合作用下,SFCB存在較明顯塑性強化階段[16]。

圖2 SFCB單向拉伸力學性能[3]Fig.2 Uniaxial tensile mechanical properties of SFCB[3]

假設(shè)FRP外包覆層與內(nèi)芯鋼筋在工作時變形協(xié)調(diào)不發(fā)生相對滑動,并忽略環(huán)氧樹脂對承載力的貢獻,通過復(fù)合法則[17]推導(dǎo)出單軸加載下SFCB理論應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,如式(1)所示,試驗測得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與理論值吻合較好。

(1)

式中:σsf和εsf分別為SFCB應(yīng)力和應(yīng)變,EⅠ為SFCB屈服前彈性模量,EⅡ為SFCB的二次剛度,fsfy和εsfy分別為SFCB的屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變,εsfu為SFCB纖維斷裂的極限應(yīng)變,fsfr為SFCB的剩余強度。

1.1.2 GFRP/鋼絞線復(fù)合筋拉伸力學性能

郝慶多和歐進萍[18]為了提升GFRP筋的彈性模量,采用拉擠成型工藝生產(chǎn)了GFRP/鋼絞線復(fù)合筋。在加載至極限荷載的90%前,GFRP/鋼絞線復(fù)合筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本保持線性;當內(nèi)部鋼絞線接近被拉斷時,復(fù)合筋進入類似屈服的非線性階段,其力學性能變化可通過復(fù)合材料混雜原理解釋(圖3)。

圖3 GFRP/鋼絞線復(fù)合筋拉伸力學性能[18]Fig.3 Mechanical properties of GFRP/steel wire composite rebar under tensile loading[18]

1.1.3 鋼絲-玄武巖纖維復(fù)合板/拉索拉伸力學性能

研究表明:在FRP板鋼結(jié)構(gòu)加固中,FRP板的彈性模量為核心因素之一[19]。鋼絲-玄武巖纖維復(fù)合板[10]綜合了鋼絲制品與FRP制品的特點,具有良好的耐腐蝕性能、較高的強度及初始彈性模量、成本比碳纖維板低。試驗表明:復(fù)合板的鋼絲與FRP具有很強的協(xié)同工作能力(圖4(a)),材料內(nèi)部界面性能良好,且其彈性模量隨復(fù)合板內(nèi)鋼絲體積分數(shù)的增大而提高[20]。鋼絲-連續(xù)纖維復(fù)合板能夠有效提高加固梁的承載力及剛度;在保證加固梁延性的同時,能夠抑制裂縫的發(fā)展[21],加固性能良好,有望在某些場合代替FRP板進行結(jié)構(gòu)加固補強。

鋼絲-玄武巖纖維復(fù)合拉索運用于大跨拉索結(jié)構(gòu)中,可以避免產(chǎn)生鋼拉索面臨的腐蝕、疲勞等問題。與碳纖維拉索相比，不易產(chǎn)生震動且造價更低。Wang等[22]發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整拉索內(nèi)纖維的排列方式、復(fù)合比例，可以改善拉索的短期與長期力學性能(圖4(b)),為超大跨徑橋梁的建設(shè)提供更多選擇。

圖4 典型鋼絲-連續(xù)纖維復(fù)合板/拉索拉伸力學性能Fig.4 Typical tensile mechanical properties of steel wire-FRP composite plate/cable

1.2 SFCB往復(fù)拉壓力學性能

結(jié)構(gòu)在地震過程中會經(jīng)歷往復(fù)位移,縱筋的往復(fù)拉壓行為對于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與評估至關(guān)重要,較大長徑比(長度/直徑超過4～8)的筋材受壓時可引發(fā)屈曲破壞[23]。由于SFCB特殊的復(fù)合構(gòu)造特性,其往復(fù)拉壓性能相較于鋼筋更為復(fù)雜。Tang等[24]對不同長徑比的SFCB往復(fù)拉壓性能進行了試驗研究,結(jié)果表明:SFCB的外纖維層開始劈裂或斷裂前,其往復(fù)拉壓過程中的拉伸和壓縮行為幾乎是對稱的;SFCB的外纖維層初始破壞后,由于內(nèi)芯鋼筋逐漸屈曲而使得其往復(fù)拉壓性能產(chǎn)生“雙向削弱效應(yīng)”(圖5(a)),進而依據(jù)SFCB不同材料截面應(yīng)力狀態(tài)的變化將卸載和重新加載階段細分,提出了無側(cè)向約束條件下SFCB往復(fù)拉壓滯回模型(圖5(b)),可為極限狀態(tài)下考慮SFCB屈曲對混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響提供依據(jù)。

圖5 SFCB往復(fù)拉壓力學性能[24]Fig.5 Mechanical performance of SFCB under cyclic loading[24]

2 復(fù)合筋/混凝土的黏結(jié)性能

SFCB的外側(cè)為FRP,因此SFCB/混凝土的黏結(jié)性能和相應(yīng)FRP筋/混凝土的黏結(jié)性能有共同點。薛偉辰等[25]對GFRP筋/混凝土黏結(jié)性能進行了較為系統(tǒng)的研究,得到了基本錨固長度及黏結(jié)強度的計算表達式及設(shè)計建議。此外,眾多學者[26-27]探究了不同試驗方法(標準拉拔和梁式試驗)、約束狀態(tài)和應(yīng)力條件對FRP筋/混凝土黏結(jié)強度、加載端滑移、黏結(jié)剛度的影響。

2.1 GFRP/鋼絞線復(fù)合筋/混凝土的黏結(jié)性能

郝慶多等[28]研究表明:GFRP/鋼絞線復(fù)合筋的肋間距對復(fù)合筋峰值黏結(jié)強度和加載端滑移影響較大,當肋間距為復(fù)合筋直徑的1倍時,GFRP/鋼絞線復(fù)合筋綜合黏結(jié)性能最佳,且復(fù)合筋與混凝土界面性能優(yōu)于常規(guī)純FRP筋[29]。高丹盈等[30]研究發(fā)現(xiàn):GFRP/鋼絞線復(fù)合筋/混凝土的黏結(jié)性能較GFRP筋/混凝土有所提高,但較鋼筋/混凝土略有降低。復(fù)合筋直徑、埋置長度、混凝土強度、混凝土保護層厚度、混凝土澆筑深度等參數(shù)均對GFRP/鋼絞線復(fù)合筋/混凝土的黏結(jié)性能有所影響,文獻[31]通過試驗修正了相關(guān)系數(shù),得到了黏結(jié)滑移限值與基本錨固長度計算公式，并提出了GFRP/鋼絞線復(fù)合筋/混凝土黏結(jié)滑移本構(gòu)模型。

2.2 SFCB/混凝土的黏結(jié)性能

SFCB與混凝土拉拔試驗結(jié)果表明:其黏結(jié)強度約為同等條件下帶肋鋼筋與混凝土黏結(jié)強度的94%[32]。通過表面噴砂[33]和優(yōu)化肋構(gòu)型可有效提高黏結(jié)強度和殘余黏結(jié)強度。反復(fù)拉伸荷載作用下SFCB/混凝土界面性能研究結(jié)果表明:在等應(yīng)力幅加載下,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,加載端滑移的增量逐漸減少,最后逐漸穩(wěn)定為2 mm;隨著循環(huán)次數(shù)的增加,加載剛度急劇增大后逐漸趨于穩(wěn)定,而卸載剛度呈現(xiàn)下降的趨勢并最終趨于穩(wěn)定(圖6)[34]。

圖6 反復(fù)拉伸荷載作用下SFCB/混凝土界面性能[34]Fig.6 Bond performance between SFCB and concrete under cyclic tensile loading[34]

在腐蝕環(huán)境下,SFCB/混凝土的短期與長期黏結(jié)性能表現(xiàn)良好[35],使其在海砂混凝土、海水海砂混凝土、全珊瑚混凝土等介質(zhì)中的運用成為可能。海砂中的鹽分可能會使微孔隙溶液的堿性降低,從而延緩?fù)飧矊拥耐嘶俣?提高SFCB在堿性環(huán)境中的耐久性[36]。在鹽溶液中干濕循環(huán)6個月后,SFCB/海砂混凝土的黏結(jié)強度無明顯減弱,甚至有所加強[37]。溫度的升高與腐蝕齡期的延長會削弱SFCB/混凝土的黏結(jié)性能[35];荷載水平和NaCl濃度的提高使其極限黏結(jié)強度明顯降低[16],且海水浸泡比干濕循環(huán)下黏結(jié)性能退化更為嚴重[36]。

在SFCB增強混凝土節(jié)點核心區(qū)縱筋過密或裝配式高效連接采用并筋時,集束SFCB/混凝土的黏結(jié)性能會有一定退化,初步試驗結(jié)果表明:雙筋和三筋集束使得相應(yīng)SFCB/混凝土界面黏結(jié)強度分別降低了約12.3%及31.2%(圖7)[38]。通過黏結(jié)單元可以較好地模擬復(fù)合筋與混凝土界面黏結(jié)性能隨布筋方式的變化規(guī)律[39],相應(yīng)混凝土梁的荷載-位移、縱筋應(yīng)變發(fā)展規(guī)律等數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。

圖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增強混凝土梁/板

3.1 SFCB增強混凝土梁試驗

通過將FRP筋布置在混凝土梁角部或雙層布筋中的外側(cè)可以延緩鋼筋的銹蝕,進而提升鋼筋-FRP筋混雜配筋混凝土梁的耐久性[40-41]。SFCB增強混凝土梁的破壞形式、臨界狀態(tài)等特征與鋼筋-FRP筋混雜配筋混凝土梁的破壞模式較為接近。試驗表明:混雜配筋混凝土梁的受力過程可分為梁開裂前、梁開裂后筋材屈服前、筋材屈服后纖維拉斷前、纖維拉斷后等階段[42]。

SFCB增強混凝土梁在筋材屈服后荷載增幅大于傳統(tǒng)鋼筋混凝土(RC)梁,荷載-撓度曲線有明顯屈服點及二次剛度[43]。在相同初始剛度情況下,SFCB增強混凝土梁的抗彎極限承載力低于FRP筋增強混凝土梁的,但其延性增長明顯(圖8)。與傳統(tǒng)RC梁相比,SFCB增強混凝土梁的裂縫數(shù)量較少,但裂縫間距與寬度較大。SFCB增強混凝土梁受剪時,斜截面的抗裂性能低于普通RC梁的[44],其抗剪承載力與剪跨比呈負相關(guān)，與縱筋配筋率呈正相關(guān)。

圖8 SFCB增強混凝土梁與RC梁荷載-撓度曲線對比[43]Fig.8 Comparison of load-deflection curves of SFCB reinforced concrete beams and RC beams[43]

在耐久性方面,隨著干濕循環(huán)腐蝕作用時間的延長,SFCB增強混凝土梁的屈服強度和極限承載力均有所降低,而屈服前抗彎剛度逐漸增大,極限撓度下降明顯[45]。在荷載與海水干濕循環(huán)共同作用一年后,SFCB增強混凝土梁的抗彎承載力與屈服荷載保留率分別為62%與75%[36]。SFCB增強海砂混凝土梁延性優(yōu)異,具有良好的短期力學性能與明顯穩(wěn)定的二次剛度,極限承載力較鋼筋混凝土對照梁高10.9%[35]。通過腐蝕齡期的延長,模擬海水干濕循環(huán)條件下的SFCB海砂混凝土梁,破壞模式由SFCB屈服后混凝土壓潰的適筋梁破壞,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镾FCB拉斷破壞[37-46]。在長期腐蝕條件下,梁內(nèi)SFCB未出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象[35],可將最大裂縫寬度限值較普通RC梁進行放松[47-48];但屈服后二次剛度與極限強度有所下降,破壞前表現(xiàn)出的跡象更為明顯[49]。

3.2 SFCB增強混凝土梁計算方法

3.3 SFCB增強無砟軌道板

傳統(tǒng)無砟軌道板采用鋼筋增強,對無絕緣軌道電路的一次參數(shù)(鋼軌電阻、電感等)有不利影響,目前大多通過額外添加絕緣套管或卡子進行絕緣處理。SFCB由于外側(cè)FRP具有絕緣性能,將其運用于增強無砟軌道板中具有特殊優(yōu)勢。Yang等[53]依據(jù)鐵路相關(guān)檢測方法[54]對空鋼軌電阻和電感、有軌道板鋼軌電阻和電感進行了試驗,結(jié)果表明:距離鋼軌相同高度下,SFCB增強無砟軌道板對鋼軌電阻的影響減小至70.2%～74.42%,有效降低了增強材料對鋼軌一次參數(shù)的影響。

3.3.1 靜力性能

采用四點加載方式與三點加載方式開展SFCB軌道板靜力試驗,結(jié)果表明:采用與RC板配筋等剛度原則配置的SFCB增強無砟軌道板在位移延性上和RC板相當;在極限承載力方面,跨中截面和軌下截面試驗值分別為對應(yīng)RC板的111.9%和111.67%;在裂縫發(fā)展方面,SFCB增強無砟軌道板屈服前裂縫寬度略大于對應(yīng)RC板的,而屈服之后的二次剛度有效地限制了裂縫擴展[55]。在試驗的基礎(chǔ)上,文獻[56]提出了在工作荷載作用下考慮無砟軌道板受拉剛度和部分預(yù)應(yīng)力的殘余變形計算方法,從而反映無砟軌道板裂紋擴展過程。現(xiàn)有規(guī)范中構(gòu)件抗剪承載力預(yù)測公式未考慮應(yīng)變軟化、受拉剛度等因素,抗剪承載力計算值與試驗值偏差較大。

3.3.2 疲勞性能

Yang和Wu[57]通過等幅和變幅的疲勞試驗研究了無砟軌道板在不同荷載條件下的疲勞性能,結(jié)果表明:SFCB增強無砟軌道板在3×106次疲勞循環(huán)之后,裂縫寬度僅為0.15 mm;在更高荷載水平下,普通鋼筋增強軌道板已接近斷裂,而SFCB增強無砟軌道板剛度僅降低了23.3%。因此,SFCB增強無砟軌道板相對普通鋼筋增強軌道板具有更高的疲勞壽命和更好的安全性能(圖9)。

圖9 SFCB增強無砟軌道板疲勞試驗結(jié)果[57]Fig.9 Fatigue test results of SFCB reinforced ballastless track slab[57]

4 SFCB增強混凝土柱的抗震性能

鋼筋的彈塑性特征使普通RC結(jié)構(gòu)震后殘余位移離散程度高，造成修復(fù)困難,大量學者開展了屈服后二次剛度對結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究。Lee等[58]提出雙折線彈塑性強化模型,當二次剛度比(屈服后剛度/初始剛度)小于0.05時,地震力調(diào)整系數(shù)隨著二次剛度比增大而增大。Ye等[59]通過研究屈服后剛度對建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)的二次剛度比大于0.2時,結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性。Pettinga等[60]的數(shù)值分析結(jié)果表明:在同樣的卸載位移下,二次剛度比越大的混凝土柱殘余位移越小,二次剛度比超過0.05的橋墩殘余位移離散性顯著減小。郝建兵等[61]研究了不同參數(shù)雙折線單自由度(SDOF)體系的殘余變形響應(yīng)與地震強度指標的相關(guān)性,并回歸分析了等強度殘余位移譜。吳京等[62]基于給定延性系數(shù)下SDOF體系偽加速度和地震強度之間的規(guī)律,提出了特定地震波下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的直接計算方法。

4.1 SFCB增強混凝土柱擬靜力試驗

東南大學吳剛課題組[63-64]的試驗研究表明:合理控制鋼與FRP的混合比例(rsf)可有效提高混凝土柱的抗震性能并控制損傷速率。在不犧牲耗能能力的前提下,SFCB增強混凝土柱rsf=0.03時,相同柱頂側(cè)移下SFCB增強混凝土柱對柱腳平均曲率的需求可大大小于RC柱(圖10)。利用SFCB的高強度特征,可更有效地提高柱的抗彎承載力,實現(xiàn)“強柱弱梁”的抗震目標[65];在SFCB抗連續(xù)倒塌方面,黃振濤[66]試驗研究表明:由于二次剛度作用,SFCB增強混凝土框架的承載力和剩余強度均有一定的提升,SFCB二次剛度比在30%左右時,結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌表現(xiàn)相對最優(yōu)。

圖10 柱腳平均曲率隨柱頂側(cè)移變化[63]Fig.10 Demand of average curvature of column base with the development of column lateral displacement[63]

當結(jié)構(gòu)耐久性的需求不高時,在混凝土內(nèi)混雜配置鋼筋和FRP筋可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可控的屈服后二次剛度,與SFCB增強混凝土結(jié)構(gòu)具有類似的抗震性能。王旭陽[67]研究表明:增大FRP/鋼筋混合比例有助于延緩承載力退化,提升延性并減小殘余位移。蔡忠奎[68]試驗表明:在基本不犧牲耗能能力的前提下,混雜配筋拼裝式橋墩相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆柱,其屈服后剛度比提高了68%～278%,殘余位移減小了26%～48%,且位移延性和承載力亦有較明顯增大。Ibrahim等[69]研究表明:通過合理地弱化塑性鉸區(qū)SFCB與混凝土之間界面的結(jié)合力(圖11),使得柱腳的SFCB塑性應(yīng)變不再集中于底部,進而可提升混凝土柱極限承載力(15.8%)和相應(yīng)的極限變形能力。

圖11 柱腳部分無黏結(jié)的SFCB增強混凝土柱縱筋屈曲[69]Fig.11 Buckling of longitudinal bars in SFCB reinforced concrete column at the column base[69]

4.2 SFCB增強混凝土柱數(shù)值分析

孫澤陽等[70]利用OpenSees軟件對SFCB及其增強混凝土結(jié)構(gòu)單調(diào)和往復(fù)作用下的性能進行了模擬,進而研究了SFCB增強混凝土柱在不同地震波激勵下的最大位移和殘余位移響應(yīng)特征,結(jié)果表明:在8度大震作用下,SFCB二次剛度比>0.15時可以實現(xiàn)較小震后殘余位移。在40條含脈沖波(Pulse)的地震動下，SFCB增強混凝土柱的動力響應(yīng)易損性分析表明:rsf的增大可以大幅提高殘余位移的穩(wěn)定性(CR),rsf=0.150時保持CR在穩(wěn)定范圍內(nèi)的柱頂變形能力約為rsf=0.001時的2.2倍。超越可修復(fù)限制(1%殘余側(cè)移率)的概率隨著rsf的增大而減小(圖12),可為量化分析SFCB增強混凝土柱的損傷及設(shè)計提供依據(jù)。

圖12 SFCB殘余側(cè)移率為1%時的超越概率[71]Fig.12 Exceeding probability when SFCB residual displacement of 1%[71]

4.3 SFCB增強混凝土柱振動臺試驗

為了研究不同混雜配筋形式對混凝土柱抗震性能的影響,Sun等[72]根據(jù)等初始剛度原則,設(shè)計了相應(yīng)的SFCB增強混凝土柱,選取1940年近場地震El centro波南北方向分量作為輸入波進行加載(圖13),試驗結(jié)果表明:RC柱擁有相對較高的初始自振頻率與初始剛度,隨著裂縫的發(fā)展,RC柱的自振頻率降低速度大于SFCB增強混凝土柱的。在不同混凝土柱的柱臺輸入波地面運動峰值加速度(PGA)相近時,SFCB增強混凝土柱和混雜配筋柱的FRP筋錨固區(qū)應(yīng)變可以達到RC柱鋼筋峰值應(yīng)變的2倍左右;隨著柱臺輸入波PGA增大,RC柱塑性鉸區(qū)應(yīng)變集中明顯,相應(yīng)位置的殘余應(yīng)變較大。SFCB增強混凝土柱和混雜配筋柱均可以使塑性應(yīng)變分布更為均勻,進而減小相應(yīng)位置的殘余應(yīng)變。

圖13 振動臺試驗[72]Fig.13 Shaking table test[72]

5 結(jié)語

本文針對多種復(fù)合筋、板、索等鋼-連續(xù)纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的基本性能進行了簡要介紹,綜述了SFCB的力學性能、與混凝土的黏結(jié)性能、增強混凝土梁/板性能以及增強混凝土柱抗震性能的研究現(xiàn)狀。

1)鋼-連續(xù)纖維復(fù)合產(chǎn)品日趨多樣化,鋼材包括鋼絲、鋼筋、鋼板等,連續(xù)纖維包括玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維等。鋼材和纖維之間的界面(鋼材外表面為光圓、月牙肋、螺旋肋等)，連續(xù)纖維種類，增強樹脂(環(huán)氧基、乙烯基)等均具有很強的可設(shè)計性。

2)SFCB在往復(fù)拉壓荷載作用下由于內(nèi)芯鋼筋與外側(cè)FRP相互作用而具有“雙向削弱”效應(yīng)。SFCB與混凝土在單向拉伸和往復(fù)拉伸荷載作用下的力學性能骨架曲線相近,通過設(shè)計SFCB表面肋參數(shù)以及選擇并筋等高效配筋形式可實現(xiàn)不同的界面黏結(jié)性能控制效果。

3)SFCB增強混凝土梁具有可控的屈服后剛度,其裂縫寬度相對于等剛度RC梁而言略大。在疲勞荷載作用下,普通鋼筋增強軌道板已接近斷裂時,相應(yīng)SFCB增強無砟軌道板剛度僅降低了23.3%。SFCB增強混凝土柱相對于RC柱,在相同柱頂側(cè)移下,對柱腳平均曲率的需求較小;振動臺試驗也證明了SFCB增強混凝土柱的塑性鉸區(qū)應(yīng)變分布更為均勻,因此可以實現(xiàn)地震作用下較小的震后殘余位移。

4)經(jīng)過一系列的理論和試驗研究,鋼-連續(xù)纖維復(fù)合材料衍生出非常豐富的系列產(chǎn)品,然而針對系列產(chǎn)品和相關(guān)增強構(gòu)件/結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準有待制定;SFCB/高強混凝土的界面黏結(jié)性能取決于外側(cè)FRP的抗剪性能,如何結(jié)合高性能混凝土進一步提升SFCB增強結(jié)構(gòu)的使用性能和極限狀態(tài)性能有待深入研究;SFCB的二次剛度具有高度可設(shè)計性,在地震等反復(fù)荷載作用下,考慮加載歷史等累積損傷的SFCB增強混凝土柱的演化機制尚需進一步明確,相應(yīng)多目標設(shè)防的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論尚需進一步完善。