[发明专利]具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法

说明书

本发明属于复合材料加工技术领域，具体涉及一种具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，根据工程实际需求，可制备出同时具有拉伸延性和所需目标强度等级的HFRP杆，使其从生产源头上消除了HFRP杆强度冗余带来的生产成本浪费。本发明的设计方法容易实现、原理清晰、目的明确，对推广HFRP杆在工程建设中的应用具有重要的理论意义和使用价值。

技术领域

本发明属于复合材料加工技术领域，具体涉及一种具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法。

背景技术

钢筋、钢锚杆和钢绞线等钢杆在服役环境下的锈蚀已成为制约当前工程应用领域发展的主要因素之一。以钢筋混凝土柱或梁为例，由钢筋锈蚀造成的自身体积膨胀，一方面导致钢筋混凝土柱或梁的保护层脱落致使钢筋暴露在空气中，进一步加速了钢筋的腐蚀，另一方面导致锈蚀钢筋周围混凝土的开裂，从而降低了钢筋混凝土柱或梁的刚度和极限承载能力。因此，解决钢材锈蚀问题是目前工程应用领域主要的研究方向之一。

纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)杆是通过连续纤维增强树脂基体，经拉挤缠绕工艺和高温养护而形成的一种类似钢筋、钢锚杆和钢绞线的新型材料，具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、抗疲劳、非磁化、可塑性和可设计性强等优点，被认为是钢杆(钢筋、钢锚杆和钢绞线)理想的替代材料。但是，单种纤维增强树脂基体杆在拉伸荷载作用下呈现脆性破坏的特征，而两种或两种以上连续纤维增强树脂基体杆通过参数设计可实现在拉伸荷载作用下呈现塑性破坏的目的，这种由多类别连续纤维作为增强相强化树脂基体经拉挤工艺形成的FRP杆被称作混杂纤维增强聚合物(Hybrid Fiber ReinforcedPolymer，简称HFRP)杆。

为了像钢筋一样，使HFRP杆可以根据工程实际需要选用不同强度等级的产品，提高HFRP杆材料性能的利用率，提出具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，对推广混杂纤维增强聚合物杆在工程建设中的应用具有重要的理论意义和使用价值。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，根据工程应用需求，可制备出具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆，使HFRP杆的性能得到充分发挥。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆的设计方法，利用两种伸长率不同的连续纤维作为增强相加入树脂基体中制备HFRP杆，包含以下步骤：

设计HFRP杆拉伸延性；

确定具有拉伸延性HFRP杆的强度等级区间；

设计具有拉伸延性和不同强度等级的HFRP杆。

进一步地，所述设计HFRP杆拉伸延性，包括：

HFRP杆在拉伸荷载的作用下，两种不同伸长率纤维先后达到自身的伸长极限而发生断裂，只要确保低伸长率纤维断裂时所释放的荷载由高伸长率纤维完全承担，并还有承担荷载继续增加的能力；因此，HFRP杆中高伸长率纤维的最小体积率为：

式中，V_H,min为高伸长率纤维的最小体积率，V_L,max为低伸长率纤维的最大体积率，E_H为高伸长率纤维的弹性模量，E_L为低伸长率纤维的弹性模量，ε_H为高伸长率纤维的极限伸长率，ε_L为低伸长率纤维的极限伸长率；

高伸长率纤维和低伸长率纤维在HFRP杆中的体积率应满足：

V_H+V_L＝1 (2)