[發明專利]一種可替代鋼制材料的延性混雜纖維增強聚合物桿材的設計方法

有效

• 申請號: 202011452578.2
• 申請日: 2020-12-12
• 公開（公告）號: CN112651090B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 高丹盈;張雨;房棟;龐育陽;湯寄予;溫方正
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F113/26
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司 41111
• 代理人: 蔡少華

本發明屬于復合材料加工技術領域，公開了一種可替代鋼制材料的延性混雜纖維增強聚合物桿材的設計方法，所述延性混雜纖維增強聚合物桿材為兩種連續纖維混雜的增強聚合物桿材或三種連續纖維混雜的增強聚合物桿材；兩種連續纖維混雜的增強聚合物桿材和三種連續纖維混雜的增強聚合物桿材均需滿足一定條件。本發明方法原理清晰，目的明確，所用評價指標選擇合理，為延性HFRP桿材設計和性能評價提供了理論方法。

技術領域

本發明屬于復合材料加工技術領域，涉及一種可替代鋼制材料的延性混雜纖維增強聚合物桿材的設計方法。

背景技術

在工程應用領域，鋼筋、鋼錨桿和鋼絞線等的應用十分廣泛。例如，鋼筋增強混凝土，能顯著提高結構的承載能力和延性；鋼錨桿作為支護構件，能極大提高邊坡等結構的穩定性；鋼絞線作為拉索對提高橋梁等結構的安全與穩定起到了舉足輕重的作用。但是，鋼筋、鋼錨桿和鋼絞線等在惡劣環境下易于銹蝕所引起的耐久性問題，嚴重威脅著結構的安全與穩定，其后期的維護或者重建也帶來巨大的經濟損失。所以，亟需一種新型材料來替代鋼筋、鋼錨桿和鋼絞線等，解決三者在服役環境下的銹蝕問題。

纖維增強聚合物(Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP)桿(FRP筋、FRP錨桿和FRP絞線)是由連續纖維(增強相)強化樹脂(基體相)經過高溫固化而形成的一種新型復合材料，具有輕質高強、耐腐蝕、抗疲勞和非磁化等優點，被認為是替代鋼材的理想材料之一。作為增強相的連續纖維包括碳纖維(Carbon fiber，簡稱C)、玻璃纖維(Glass fiber，簡稱G)、玄武巖纖維(Basalt fiber，簡稱B)、芳綸纖維(Aramid fiber，簡稱A)和其他高分子合成纖維等，可作為基體相的樹脂包括環氧樹脂、乙烯基樹脂和不飽和聚酯樹脂等。然而，常見的單纖維增強聚合物桿(CFRP、GFRP、BFRP、AFRP)在拉伸荷載作用下均呈現脆性破壞的特征，應力隨應變以線彈性的方式增長直至完全斷裂也沒有發出破壞預警，故單纖維增強聚合物桿應用到工程中不能滿足結構抗震的要求。例如，結構在地震荷載作用下要具備塑性變形的能力，即結構在發生破壞之前要產生塑性鉸使其荷載重新分布以延遲破壞過程的時間，給人員及時逃離和財產轉移留出反應時間。因此，具有延性的FRP桿在荷載作用下發生塑性破壞是目前工程應用領域所追逐的目標。

混雜纖維增強聚合物(Hybrid Fiber Reinforced Polymer，簡稱HFRP)桿是由兩種或兩種以上的連續纖維增強樹脂基體經過高溫固化成型得到的一種新型復合材料，它是利用具有不同伸長率的增強纖維在拉伸荷載作用下先后達到自身的伸長極限而產生不同等級斷裂，實現HFRP桿的延性，從而達到塑性破壞的目的。但是，在現有的文獻和規范中，并沒有對延性HFRP桿的設計方法及性能評價指標形成統一的認識和標準，造成現有延性HFRP桿的性能仍需提升，且需要對其性能的評價指標。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可替代鋼制材料的延性混雜纖維增強聚合物桿材的設計方法，該方法原理清晰，目的明確，所用評價指標選擇合理，為延性HFRP桿材設計和性能評價提供了理論方法。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明提供一種可替代鋼制材料的延性混雜纖維增強聚合物桿材的設計方法，所述延性混雜纖維增強聚合物桿材為兩種連續纖維混雜的增強聚合物桿材或三種連續纖維混雜的增強聚合物桿材；

所述兩種連續纖維混雜的增強聚合物桿材滿足以下條件：

所述三種連續纖維混雜的增強聚合物桿材滿足以下條件：

式中，V_L為低伸長率纖維的體積率；

E_L為低伸長率纖維的彈性模量，GPa；

ε_L為低伸長率纖維的極限伸長率；

V_M為中等伸長率纖維的體積率；