柔性纖維混凝土的動(dòng)力響應(yīng)
[摘 要] 研究碳/芳綸混雜柔性纖維混凝土的動(dòng)力特性。從柔性纖維的幾何特點(diǎn)和受力性能出發(fā),采用了懸臂梁纖維混凝土試件進(jìn)行波動(dòng)特性的研究。柔性纖維混凝土能夠承受較大的變形,增大了材料能量耗散,改善了動(dòng)力性能。纖維混雜以及波紋纖維的曲線角對(duì)其動(dòng)力耗散有重要的作用。
[關(guān)鍵詞] 混雜柔性纖維;纖維混凝土;動(dòng)力響應(yīng)
柔性纖維復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代后期才出現(xiàn)的一種新型材料,它與熱固性或熱塑性聚合物基體復(fù)合材料相比有較大的變形范圍,有較高的承載能力和良好的動(dòng)力性能,在低應(yīng)力作用時(shí),呈低剛度性能,而在高應(yīng)力作用時(shí),卻表現(xiàn)出相當(dāng)高的強(qiáng)度和剛度。它的應(yīng)用也很廣泛,從汽車、飛機(jī)的輪胎、傳送帶,輕便房屋結(jié)構(gòu),帳篷,降落傘,減速器,防彈衣,建筑隔板到球拍等都可以用柔性復(fù)合材料來(lái)制造[1]。
混凝土材料一直是一種低應(yīng)變的脆性材料,主要是用于抗壓和靜態(tài)環(huán)境,隨著混凝土改性的研究,混凝土的彈塑性功能日益增長(zhǎng),傳統(tǒng)觀念上的混凝土已經(jīng)被大大突破了,具有特殊功能的混凝土不斷涌現(xiàn)[2,3]。混雜柔性纖維混凝土,利用不同性能的纖維材料構(gòu)建柔性纖維混凝土,充分發(fā)揮不同纖維的優(yōu)勢(shì),混雜效應(yīng)明顯,是纖維混凝土研究的一個(gè)新的方向。
1 柔性纖維的幾何分析
為了適應(yīng)低應(yīng)力較大的變形需要,柔性復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維通常設(shè)計(jì)為曲線形狀。 對(duì)于連續(xù)纖維而言,可考慮設(shè)計(jì)為正弦波型的纖維形式[2~3]。
其中λ為波長(zhǎng),a為幅值。
若用θ表示纖維曲線的切線夾角,那么
纖維的微分長(zhǎng)度為
其中 。由式(2)可知
這樣波長(zhǎng)內(nèi)纖維長(zhǎng)度
利用第二類橢圓積分式(5)可表示為
其中
對(duì)于連續(xù)纖維,其曲線形式組合通??煞譃榈认辔唤M合和隨機(jī)相位組合兩類。 對(duì)于等相位曲線纖維,若x坐標(biāo)相同,曲線纖維的θ也相同,而對(duì)于隨機(jī)相位曲線纖維的θ值無(wú)一定的規(guī)律,隨機(jī)相位的曲線纖維有如下形式
其中l為纖維在x方向的平移系數(shù),那么纖維的方向角可以定義在如下范圍
纖維的方向角θ與纖維的柔性有關(guān)。
2 動(dòng)力響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究
實(shí)驗(yàn)首先通過自由振動(dòng)法測(cè)量纖維混凝土簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,其次由靜力試驗(yàn)測(cè)量材料的力學(xué)性能。所用纖維的物理力學(xué)性能為:碳纖維T300-12K,抗拉強(qiáng)度3530MPa,彈性模量230GPa,伸長(zhǎng)率1.5%;芳綸纖維Twaron-1K,抗拉強(qiáng)度2800MPa,彈性模量65GPa,伸長(zhǎng)率3.4%。
圖1為試驗(yàn)用的兩種柔性纖維網(wǎng)片。實(shí)驗(yàn)試件的制作如下:AC20—碳-芳綸纖維相間混雜,曲線角20;AC30—碳-芳綸纖維相間混雜,曲線角30;A20—芳綸纖維,曲線角20;A30—芳綸纖維,曲線角30;C20—碳纖維,曲線角20;C30—碳纖維,曲線角30;C0 —無(wú)纖維。 配比:1∶1.8∶2.0;水灰比:0.45 ; 聚灰比:0.05。
用計(jì)算機(jī)對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)曲線作快速傅立葉變換,可得到頻譜圖。從頻譜曲線上用峰值列表法很容易定出各階固有頻率,如圖2給出了AC20試件某時(shí)段的瞬態(tài)響應(yīng)曲線以及相應(yīng)的FFT實(shí)時(shí)譜。
從上述的試驗(yàn)和理論分析,可以總結(jié)如下:
(1)增強(qiáng)纖維可以降低構(gòu)件固有頻率,碳纖維的影響較芳綸纖維大,混雜纖維的影響小于兩者。纖維曲線角對(duì)構(gòu)件固有頻率也有影響。
(2)纖維會(huì)影響對(duì)數(shù)衰減系數(shù)。碳纖維和芳綸纖維會(huì)增大對(duì)數(shù)衰減率,就曲線角對(duì)衰減系數(shù)的影響來(lái)講,曲線角30°時(shí)的影響較明顯。
(3)波紋纖維對(duì)固有頻率和對(duì)數(shù)衰減率的影響,最終體現(xiàn)在它可以增大構(gòu)件的阻尼比。碳纖維的效果較芳綸纖維好,混雜纖維的效果介于兩者之間。纖維曲線角對(duì)構(gòu)件阻尼比也有影響,當(dāng)混雜纖維曲線角為30°時(shí),構(gòu)件的阻尼比較大。
(4)表1中材料損耗因子β反映了材料動(dòng)力能量的耗散能力與纖維曲線角有關(guān),也反映了混雜纖維的耗散能力較強(qiáng)[4~6],值得研究者注意。
含波紋纖維混凝土是纖維增強(qiáng)材料混凝土在概念上一種更新和進(jìn)步,更強(qiáng)調(diào)了混凝土材料的基體彈塑性,具有從小變形到大變形然后再到小變形的特殊過程,特別是其動(dòng)力響應(yīng)和能量耗散均有較好的性能,對(duì)于混凝土既保持原有抗壓的優(yōu)良性能又?jǐn)U展其他功能具有特別的作用。波紋纖維的曲線角對(duì)其動(dòng)力耗散有重要的作用,但波紋纖維曲線角大于30°時(shí)作用減少,說(shuō)明纖維曲線角增大到一定程度,就成為橫向增強(qiáng)的主要因素,而在縱向的作用降低。 波紋纖維可以預(yù)制成定型織物,橫向用可降解纖維編織固定,澆筑以后仍可保留原有形狀。混凝土作為傳統(tǒng)的低應(yīng)變脆性材料的觀念正在改變,期待更多的研究能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)這種改變。
[參考文獻(xiàn)]
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作者:
(1. 廣州航海高等??茖W(xué)校交通建筑系,廣東廣州510725 ;2. 廣東工業(yè)大學(xué)建設(shè)學(xué)院,廣東廣州510090)
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