纤维增强复合材料在土木工程中的应用

纤维增强复合材料在土木工程中的应用摘要纤维增强复合材料是一种新型材料，具有强度高、质量轻等诸多优势，且具有良好的耐腐蚀性和耐疲劳性。

纤维增强复合材料能实现对钢筋腐蚀的有效处理，且能实现混凝土结构耐久性能的大幅度提高。

本文简述了纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗烈度计算以及承载力计算，浅析了纤维增强复合材料的耐久性特点，探究了纤维增强复合材料在土木工程中的应用，以期为纤维增强复合材料的应用提供借鉴。

关键词：纤维增强复合材料；土木工程；混凝土引言：在混凝土结构中，呈碱性的混凝土在诸多侵蚀因素的不良影响下，其钢筋保护会逐渐丧失，进而导致大幅度混凝土结构的耐久性。

同时，混凝土内部钢筋锈蚀会严重损害混凝土结构质量。

因此，在土木工程中，采取有效技术措施和方法加强对钢筋的有效保护，并切实保障混凝土结构的耐久性和质量具有至关重要的意义。

纤维增强复合材料具有较强的抗裂度和承载力，且具有显著的耐久性优势，在土木工程中得到了日渐广泛的应用。

第一章：纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗裂度计算1、纤维增强聚合物混凝土梁正截面抗裂度计算方法纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面在濒临开裂状态时，可采用下式对开裂弯矩进行计算：s t c f cr W f M M M =+= （1）在上式中，f M 表示纤维增强聚合物筋所承受的实际弯矩；c M 表示的是混凝土所承受的实际弯矩；t f 表示的是混凝土所呈现的峰值实际拉应力；s W 表示的是对混凝土梁相应受拉区域所具备的塑性变形产生的影响进行综合考虑的纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面所呈现的弹塑性实际抵抗矩[1]。

当对塑性系数m γ进行采用来对混凝土梁受拉区域所具备的弹塑性具体发展程度进行反映时，其截面应力大体上呈现出线性分布的状态，其受拉边缘部位所具备的实际应力用t m f γ表示[2]。

可采用下式对开裂弯矩进行计算：tt m t m cr y I f W f M 00γγ== （2） 在上式中，m γ表示的是混凝土梁截面所具备的抵抗矩实际塑性系数；0W 表示的是对纤维增强聚合物筋进行混凝土转换折算，转换折算之后混凝土梁截面对受力区域边缘产生的实际弹性抵抗矩；0I 表示的是混凝土梁换算截面具备的实际惯性矩；t y 表示的是混凝土梁受拉区域边缘部位到中心轴的实际距离[3]。

对上式（1）和上式（2）进行比较，可得出下式： 0/W W s m =γ （3）2、抵抗矩的表达式（1）、弹塑性抵抗矩通过采取综合方法进行比较，应采用以下关系式对混凝土受拉应力应变关系进行表示：t t f εεσ= 0≤ε≤0t ε )1(00t tu t t f εεεεασ---=0t ε≤ε≤tu ε （4） 在上式中，0t ε表示的是与t f 相对应的混凝土峰值呈现的实际拉应变；tu ε表示的是混凝土所具备的极限拉应变；α表示的是一个系数[4]。

遵循上式（4）表示的混凝土受拉应力应变关系，可得出纤维增强聚合物筋混凝土梁处于开裂状态情况下截面呈现的实际应力分布如下图1所示：图 1 纤维增强聚合物筋混凝土梁处于开裂状态情况下截面呈现的实际应力分布图①、受压区高度0x对上图1进行观察分析，可得出受压区距离中性轴y 部位混凝土的实际应力σ可用下式进行表示：y x h f y x h f t tt tu 000/-=-=γεεσ （5）在上式中，0/t tu εεγ=可对受压区混凝土具备的合力D 、受拉区上半部混凝土具备的合力1T 、受拉区下半部混凝土具备的合力2T 以及受拉纤维增强聚合物筋具备的拉力f T 构建关系式[5]。

根据静力平衡条件f T T T D ++=21，可得受压区高度0x 可用如下方程式进行表示：t f t t t f x h x h A n a f x h b f x h b x h f x b 000000202)1)(2()(2)()(2--+---+-=-γγγγγ （6） 对上述方程式进行化简可得到如下式子：AAC B B x 2420-+-= 在化简所得的式子中，)]1)(2(1[2--+-=γγa Af A n bh a B 22)]1)(2(1[2γγ+--+= 0222)]1)(2(1[h A n bh a C f γγ---+-= 在上式（6）中，c f E E n /=；0h 表示的是混凝土梁截面所具备的有效高度；f A 表示的是纤维增强聚合物筋横截面所具备的具体面积；f E 表示的是纤维增强聚合物筋所具备的实际弹性模量；c E 表示的是混凝土所具备的初始弹性模量[6]。

②、开裂弯矩cr M受压区混凝土所具备的内力、受拉区上半部分及下半部分混凝土所具备的内力均对中性轴分别取矩，则混凝土承受的实际弯矩可用下式表示：t c f x h b C x h b x h x b M ])(3)()(3[201220030-+-+-=γγ （8） 在上式中，]1)2(3)23)(1([2)1)(2(1γγγγγ+-----=a a a C 纤维增强聚合物筋所具备拉力对中性轴进行取矩可得下式：t f f f f x h x h A n x h T M 020000)()(--=-∙=γ （9）将上式（8）和上式（9）代入上式（1）中可得：2002020030)()(132)()(3x h x h A n x h b C x h b x h x b W f s --+-+-+-=γγγ （10） 对上式（10）进行分析可知，系数α和系数γ的实际取值对于开裂荷载的计算值具有较大的影响。

对钢筋混凝土梁抗裂度的计算方法进行参考，当系数γ的取值为2时，α的值在0.7—1.0的范围之间时，开裂荷载所得的计算值与相应的试验值具有较高的吻合程度[7]。

（2）、弹性抵抗矩将纤维增强聚合物筋混凝土截面进行对单一混凝土截面的换算，对单一材料混凝土截面所具备的弹性抵抗矩进行计算。

对图1进行观察分析可知，受压区以及受拉区对于混凝土梁截面中性轴具有相等的面积矩相，可用下式对受压区高度c x 进行表示：ff c A n bh h A n bh x )1()1(2102-+-+= （11） 进而可知，纤维增强聚合物筋混凝土梁换算截面所具备的惯性矩可用以下式子表示：20330)()1(])([3c f c c x h A n x h x b I --+-+= （12） 因此，cx h I W -=00 （3）、相关结论综上所述，对纤维增强聚合物筋混凝土梁而言，其实际配筋率会影响其开裂弯矩，但呈现出的影响相对较小。

当纤维增强聚合物筋混凝土梁其截面呈现开裂状态时，纤维增强聚合物筋相对于钢筋而言，具有较小的作用，纤维增强聚合物筋混凝土梁可采取1.15作为其塑性系数的具体取值[8]。

通过上式（4）对混凝土梁截面受拉区所具备的拉应力的具体分布情况进行反映，可构建纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗裂度的计算方法。

第二章：纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面承载力计算2.1纤维增强聚合物筋率对极限承载力的影响对部分纤维增强聚合物混凝土梁进行极限弯矩的试验，所得试验数据如下表1所示：上表中'c f 表示的是混凝土圆柱体抗压强度，通过式子/'c cu f f =0.83可对之进行换算，使之成为混凝土立方体抗压强度。

对纤维增强聚合筋所具备的配筋率以及极限承载力之间的关系进行分析，需对系数u α进行引入，以实现对混凝土强度所造成影响的有效消除，该系数可用如下式子进行定义表示：cex u u f bh M 20.=α 在上式中，ue M 表示的是基于试验数据所得的极限弯矩；b 表示的是混凝土梁截面的实际宽度；0h 表示的是混凝土梁截面所具备的有效高度；c f 表示的是所具备的棱柱体轴心的实际抗压强度，对之作如下取值：cu c f f 76.0=。

当纤维增强聚合筋混凝土梁的配筋率限制在一定范围之内时，所能承受的极限承载力与其配筋率呈现出正比例关系，随着配筋率的逐渐增大，纤维增强聚合筋混凝土所能承受的极限承载力也越大，同时，受压区的实际面积也将逐渐增大[9]。

2.2极限承载力计算模型建立类似于钢筋混凝土梁的破坏形式，纤维增强聚合筋混凝土梁正截面也具备超筋、少筋和适筋三种形式的受弯破坏。

纤维增强聚合筋混凝土所采用的材料，诸如纤维增强聚合筋以及混凝土均是常见的脆性材料，相应地其受弯破坏也呈现出显著脆性的相关特点。

纤维增强聚合筋混凝土构件产生破坏，通常是因为其受拉区部位的混凝土在压力作用下出现破碎，纵向受力纤维增强聚合筋通常不会产生变形，这是由于纤维增强聚合筋承受了全部的截面拉应力，在拉力剧增的情况下，筋材极易出现拉断。

对混凝土梁和纤维增强聚合筋混凝土梁的破坏形式进行分析可知，二者在破坏形式上都呈现出脆性破坏特征，但混凝土梁在受压破坏时，会呈现出塑性变形的相关特点，产生部分裂缝预兆，且在受压破坏的情况下，混凝土构件通常产生较小的挠度以及裂缝宽度。

因此，可将混凝土受压破坏情况，或者是纤维增强聚合筋受拉破坏情况作为依据设计纤维增强聚合筋混凝土梁。

为实现与现行混凝土结构设计相关规范的有效衔接，本文将以纤维增强聚合筋受拉破坏为依据，对其受弯构件所能承受的极限承载力进行研究。

遵循混凝土结构设计的相关原理，对纤维增强聚合筋混凝土梁进行设计，需对纤维增强聚合筋名义屈服强度概念进行引入。

对现有混凝土受弯构件的相关计算方法进行参照，对纤维增强聚合筋名义屈服强度进行假设，对纤维增强聚合筋的受拉应变进行有效控制，对构件实施适筋梁破坏设计[10]。

对强度以及延性等各项因素进行综合考虑，采用下式对纤维增强聚合筋名义屈服点进行定义：u u f σλσλ=在上式中，λσf 表示的是纤维增强聚合筋名义屈服点强度；u λ表示纤维增强聚合筋所具备的强度折减具体系数；u σ表示的是纤维增强聚合筋所具备的极限强度。

1、纤维增强聚合筋的应力应变关系以及混凝土等效矩形应力图系数对试验结果进行分析可知，纤维增强聚合筋的应力应变呈现出显著的线弹性关系，可采用如下关系式进行表示：f f f E εσ= 0≤ε≤u ε在上式中，f E 表示的是纤维增强聚合筋所具备的受拉弹性模量；u ε表示的是纤维增强聚合筋所具备的受拉极限应变。

根据f f f E εσ= 0≤ε≤u ε，可的名义屈服应变为f f E /λλσε=。

将截面应变假设为呈现直线分布状态，且忽略对拉区混凝土相关作用的考虑，则混凝土受压应变关系可采用下式进行表示：])(2[2000εεεεσσ-= 0≤ε≤0ε （2.1） 0σσ=0ε≤ε≤cu ε在上式中，0ε表示的是当混凝土压应力达到c f 时，相应的混凝土压应变，当计算所用的0ε值在0.002以下时，应对之取值为0.002；=0σ 1.1c f ；cu ε表示的是纤维增强聚合筋混凝土梁在非均匀受压状态下呈现出的混凝土极限压应变，对钢混结构的相关处理方法进行借鉴，可根据u ε=0.0033-（50,-k cu f ）×10-5来求解混凝土的极限压应变。