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技术

本发明专利技术属于复合材料加工技术领域，公开了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，所述延性混杂纤维增强聚合物杆材为两种连续纤维混杂的增强聚合物杆材或三种连续纤维混杂的增强聚合物杆材；两种连续纤维混杂的增强聚合物杆材和三种连续纤维混杂的增强聚合物杆材均需满足一定条件。本发明专利技术方法原理清晰，目的明确，所用评价指标选择合理，为延性HFRP杆材设计和性能评价提供了理论方法。论方法。论方法。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于复合材料加工
，涉及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。

技术介绍

[0002]在工程应用领域，钢筋、钢锚杆和钢绞线等的应用十分广泛。例如，钢筋增强混凝土，能显著提高结构的承载能力和延性；钢锚杆作为支护构件，能极大提高边坡等结构的稳定性；钢绞线作为拉索对提高桥梁等结构的安全与稳定起到了举足轻重的作用。但是，钢筋、钢锚杆和钢绞线等在恶劣环境下易于锈蚀所引起的耐久性问题，严重威胁着结构的安全与稳定，其后期的维护或者重建也带来巨大的经济损失。所以，亟需一种新型材料来替代钢筋、钢锚杆和钢绞线等，解决三者在服役环境下的锈蚀问题。
[0003]纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)杆(FRP筋、FRP锚杆和 FRP绞线)是由连续纤维(增强相)强化树脂(基体相)经过高温固化而形成的一种新型复合材料，具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳和非磁化等优点，被认为是替代钢材的理想材料之一。作为增强相的连续纤维包括碳纤维(Carbon fiber，简称C)、玻璃纤维(Glass fiber，简称G)、玄武岩纤维(Basalt fiber，简称B)、芳纶纤维(Aramid fiber，简称A)和其他高分子合成纤维等，可作为基体相的树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂和不饱和聚酯树脂等。然而，常见的单纤维增强聚合物杆(CFRP、GFRP、BFRP、AFRP)在拉伸荷载作用下均呈现脆性破坏的特征，应力随应变以线弹性的方式增长直至完全断裂也没有发出破坏预警，故单纤维增强聚合物杆应用到工程中不能满足结构抗震的要求。例如，结构在地震荷载作用下要具备塑性变形的能力，即结构在发生破坏之前要产生塑性铰使其荷载重新分布以延迟破坏过程的时间，给人员及时逃离和财产转移留出反应时间。因此，具有延性的FRP杆在荷载作用下发生塑性破坏是目前工程应用领域所追逐的目标。
[0004]混杂纤维增强聚合物(Hybrid Fiber Reinforced Polymer，简称HFRP)杆是由两种或两种以上的连续纤维增强树脂基体经过高温固化成型得到的一种新型复合材料，它是利用具有不同伸长率的增强纤维在拉伸荷载作用下先后达到自身的伸长极限而产生不同等级断裂，实现HFRP杆的延性，从而达到塑性破坏的目的。但是，在现有的文献和规范中，并没有对延性HFRP杆的设计方法及性能评价指标形成统一的认识和标准，造成现有延性HFRP杆的性能仍需提升，且需要对其性能的评价指标。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供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，该方法原理清晰，目的明确，所用评价指标选择合理，为延性HFRP杆材设计和性能评价提供了理论方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
本专利技术提供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，所述延性混杂纤维增强聚合物杆材为两种连续纤维混杂的增强聚合物杆材或三种连续纤维混杂的增强聚合物杆材；所述两种连续纤维混杂的增强聚合物杆材满足以下条件：所述三种连续纤维混杂的增强聚合物杆材满足以下条件：所述三种连续纤维混杂的增强聚合物杆材满足以下条件：所述三种连续纤维混杂的增强聚合物杆材满足以下条件：式中，V
L
为低伸长率纤维的体积率；E
L
为低伸长率纤维的弹性模量，GPa；ε
L
为低伸长率纤维的极限伸长率；V
M
为中等伸长率纤维的体积率；E
M
为中等伸长率纤维的弹性模量，GPa；ε
M
为中等伸长率纤维的极限伸长率；V
H
为高伸长率纤维的体积率；E
H
为高伸长率纤维的弹性模量，GPa；ε
H
为高伸长率纤维的极限伸长率。
[0007]上述两种连续纤维混杂的增强聚合物杆材的设计思路如下：因具有不同伸长率的两种纤维在拉伸荷载作用下先后达到自身的伸长极限而产生的不同等级的断裂，同时，具有较高伸长率的纤维要有能力承担低伸长率纤维在断裂退出工作时释放出的荷载而不发生破坏，甚至还具有继续承担荷载增加的能力。因此，根据这一思路可确定在HFRP杆材中高伸长率纤维的最小体积率V
H,min
，这种方法可称作高伸长率纤维最小体积法。高伸长率纤维的最小体积率V
H,min
的公式如下：
[0008]两种纤维在HFRP杆材中所占体积率应满足公式(2)：V
H
+V
L
＝1(2)。
[0009]在已知两种纤维材料参数的条件下，可根据公式(2)确定低伸长率纤维所对应的最大体积率V
L,max
。
[0010]当高伸长率纤维的最小体积率V
H,min
和低伸长率纤维的最大体积率V
L,max
确定后，只要确保所设计的延性HFRP杆材中低伸长率纤维的体积率V
L
与高伸长率纤维的体积率V
H
之比满足公式(3)，就能实现HFRP杆材的塑性破坏，达到具有延性的目的。
[0011]简化公式(3)后可得公式(4)：
[0012]上述三种连续纤维混杂的增强聚合物杆的设计思路如下：与具有两种连续纤维混杂的增强聚合物杆的设计思路相同，因三种不同伸长率的连续纤维在拉伸荷载作用下先后达到每种纤维的伸长极限而产生不同等级的断裂，同时，要满足后级断裂的纤维有能力去承担前级纤维断裂退出工作时释放出来的荷载而不发生破坏，甚至还有继续承担荷载增加的能力。根据这一思路可确定在HFRP杆材中最高伸长率纤维的最小体积率 V
H,min
。
[0013]首先，为了使HFRP杆材在拉伸作用下发生三级断裂，三种不同连续纤维的极限伸长率必须满足公式(5)的要求：ε
L
＜ε
M
＜ε
H (5)。
[0014]而三种纤维在HFRP杆材中所占体积率应满足公式(6)：V
L
+V
M
+V
H
＝1 (6)。
[0015]在拉伸荷载作用下，当HFRP杆材的变形伸长量达到低伸长率纤维的极限伸长量时， HFRP杆材发生一级断裂，在这一时刻低伸长率纤维退出工作，其自身所承担的荷载按照剩余两种纤维的刚度比进行重新分配。
[0016]如果HFRP杆材要实现二级断裂，则三种纤维在HFRP杆材中的体积率必须满足公式 (7)和公式(8)的要求：
[0017]如果HFRP杆材要达到三级断裂，则三种纤维在HFRP杆材中的体积率必须同时满足公式(7)、公式(8)和公式(9)的要求：
[0018]延性HFRP杆材的性能评价指标是衡量其在增强相纤维体积率变化情况下HFRP杆材力学性能的变化趋势，所述延性混杂纤维增强聚合物杆的性能评价指标包括混杂效应、应力降低率、屈峰比和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，所述延性混杂纤维增强聚合物杆材为两种连续纤维混杂的增强聚合物杆材或三种连续纤维混杂的增强聚合物杆材；所述两种连续纤维混杂的增强聚合物杆材满足以下条件：所述三种连续纤维混杂的增强聚合物杆材满足以下条件：所述三种连续纤维混杂的增强聚合物杆材满足以下条件：所述三种连续纤维混杂的增强聚合物杆材满足以下条件：式中，V
L
为低伸长率纤维的体积率；E
L
为低伸长率纤维的弹性模量，GPa；ε
L
为低伸长率纤维的极限伸长率；V
M
为中等伸长率纤维的体积率；E
M
为中等伸长率纤维的弹性模量，GPa；ε
M
为中等伸长率纤维的极限伸长率；V
H
为高伸长率纤维的体积率；E
H
为高伸长率纤维的弹性模量，GPa；ε
H
为高伸长率纤维的极限伸长率。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述延性混杂纤维增强聚合物杆的性能评价指标包括混杂效应、应力降低率、屈峰比和延性应变。3.根据权利要求2所述的一种可替代钢制材料的延性混杂纤维增...

【专利技术属性】
技术研发人员：高丹盈，张雨，房栋，庞育阳，汤寄予，温方正，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：