摘 要

本文介绍了一种FRP/钢复合板，并且在大量手工制品探索性实验基础上，提出了理想的结构。在手工生产的FRP/钢复合板条件下，进行了单向单调的拉伸实验和单调的循环拉伸实验，计算分析了初始弹性模量、屈服后刚度、屈服强度、极限强度、卸载刚度和残余变形。在复合板内部钢板屈服后，FRP/钢复合板显示出稳定的屈服后刚度，较小的残余变形和良好的可恢复性。由于在单轴荷载下，SFCB的应力—应变理论模型和基于混合规则条件下从循环实验得出的数据差别很大，在循环拉伸荷载条件下相对应的恢复力模型必须通过对循环拉伸条件下应力—应变测试曲线的统计分析之后建立。

关键词：FRP/钢复合板；单轴拉伸；理论模型

Abstract

In this paper, an FRP/steel composite plate is introduced, and on the basis of a large number of exploratory experiments on hand-made products, an ideal structure is proposed. Monotonic monotonic tensile tests and monotonic cyclic tensile tests were performed under manually produced FRP/steel composite plate conditions. The initial elastic modulus, post-yield stiffness, yield strength, ultimate strength, unloading stiffness, and were calculated and analyzed. Residual deformation. After the steel plate yields inside the composite plate, the FRP/steel composite plate shows stable post-yield stiffness, less residual deformation and good recoverability. Since under uniaxial loading, the stress-strain theoretical model of SFCB is very different from the data obtained from the cyclic experiment under the condition of mixing rules, the corresponding restoring force model under cyclic tensile loading must pass through the cyclic stretching. The statistical analysis of stress-strain test curves under conditions was established.

Key Words：FRP；Uniaxial stretching；Theoretical model

目录

第一章 绪论 1

1.1课题的背景 1

1.2研究的目的及意义 1

1.3国内外研究现状 2

第二章 实验基本理论 3

2.1FRP/钢复合材料概述 3

2.2FRP/钢复合材料单轴单调拉伸理论分析 3

2.3 FRP/钢复合材料单轴循环拉伸理论分析 5

2.4小结 6

第三章 FRP/钢复合板试件制作和实验方案 6

3.1FRP纤维类型 6

3.2钢材类型 7

3.3胶结剂种类 8

3.4试件设计 8

3.5试件制作 9

3.6实验设备 10

3.7加载方案 11

第四章 实验结果及分析 11

4.1 FRP/钢复合板单轴单调拉伸实验结果及分析 11

4.1.1试件破坏特征 11

4.1.2实验数据对比 13

4.1.3参数化分析 16

4.1.4小结 17

4.2FRP/钢复合板单轴循环拉伸实验结果及分析 18

4.2.1试件破坏特征 18

4.2.2实验数据对比 18

4.2.3参数化分析 20

4.2.4小结 24

第五章 主要结论及展望 24

5.1主要结论 24

5.2对未来的展望 25

第一章 绪论

1.1课题的背景

据国家统计局和世界银行公布的数据显示，中国国内生产总值首破60万 亿元（2014年数据），其国内生产总值位居世界第二位。与此同时，我国人口达到13亿6000万口。随着人口的增多和经济增长，国家对基础建设进行了巨额投资，据交通部门统计，仅2014年 我国的交通固定投资就达2．5万亿元人民币，伴随而来的是巨额的基础工程维护和维修费用。

随着基础设施的不断增加，现有结构的保护和维护已成为一个新的问题，尤其是钢结构和钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀而引起的的锈蚀与劣化问题，可能带来不可估量的安全问题，对国民经济和国家建设各个领域的影响非常严重。举一些可靠消息来源称，美国每年因腐蚀造成的经济损失为5520亿美元，约占GDP的4．7％，而钢筋腐蚀在混凝土中的腐蚀占该国总腐蚀损失的40％。英国腐蚀问题造成的损失一样不可小觑，有关资料表明英国每年花费近20亿英镑来改善钢筋混凝土结构建筑物的防护与锈蚀问题，而修复费用达到200亿英镑。目前，日本每年在维护钢铁腐蚀问题上花费42．8亿日元。由于长期暴露在自然环境中，特别是在高盐地区或寒冷地区等特殊环境中，钢材腐蚀问题变得更加严重，桥梁和其他结构极其易于腐蚀。

纵观国内外现状不难发现，在世界范围内，钢筋的锈蚀问题对在建和已有的基础设施都产生了巨大的危害，并且带来了极大的经济损失。因此，避免或延缓锈蚀，在降低桥梁和其他建筑结构的维护成本和长期耐久性方面起着非常重要的作用。

1.2研究的目的及意义

目前，FRP材料由于其抗拉强度高，重量轻，比模量大，耐腐蚀性强，抗疲劳性能强等特点，已广泛应用于土木工程领域。但是，纯FRP材料也具有一些缺点，比如弹性模量低（尤其是GFRP）、易发生脆性破坏、剪切模量小和价格高昂等，这些缺点限制了FRP材料在工程施工中的应用。钢是一种传统的工程材料，具有剪切模量大，弹性模量大，延展性好，价格低廉等优点。然而，易生锈的缺点严重影响和损害了结构的正常使用性能和整体寿命。同时，这还会形成大量的安全和事故隐患。对比考虑到两种材料各自的特点，可以发现FRP材料与钢材具有非常强的互补性，将FRP材料和钢板复合，制造出一种新型复合材料，即FRP/钢复合板（FSP），可以充分发挥两种材料的优势，补充到各自的缺点。

使用学校提供的FRP/钢材料，设计合理的复合板试件，选取合适的实验装置进行加载实验。对复合板试件，主要采用单轴单向拉伸和循环拉伸，然后对结果进行分析，最终提出理论计算和分析模型。通过这次实验研究，调查出FRP/钢复合板的基本力学性能特征。

社会的发展正处于经济腾飞的时代，随着社会的发展，人们对建筑工程的耐久性、持久性、美观性、安全性要求越来越高，各种新型建筑材料已经开发和研究出来以满足和提供人们的各种要求。吴刚等一些相关学者将FRP材料和螺纹钢筋复合而制造出了FRP/钢材复合筋(SFCB)，他们对此进行了大量计算和实验，结果表明，SFCB比钢筋具有更高的强度，其二次刚度特征对混凝土结构震后恢复施工具有十分积极的意义。鉴于FRP材料与传统材料相比具有十分多明显的优势，近年来国内各领域的专家们纷纷侧重对FRP材料的研究，FRP材料和传统钢材结合形成的FRP/钢复合板材料扬长避短，相信在不久后的未来，FRP会作为一种综合性能更强的新型材料，并在建筑工程领域得到广泛认可。

随着20世纪40年代在美国研究的新材料的成功，新型FRP材料最初仅用于军事项目，知道今天才开始用于土木工程，随着研究的深入，该项目的应用范围也正在不断扩大。本文希望通过对FRP/钢材料的简单实验，研究相关材料的一些性能，对此领域的其他诸多材料进行比照，对FRP材料在建筑工程领域的应用现状有一个大致了解，并使用Abaqus模拟出FRP的实际效果，为FRP材料的应用提出一些建设性的建议。

1.3国内外研究现状

目前，我国在FRP材料的相关领域研究仍然处于初级阶段，与发达国际相比处于相对落后的境况，与之相关的理论研究和参考资料也相对比较少，而在建筑工程领域，FRP材料的应用还很不足，主要表现使用在建设城市基础设施，结构加固，组合简单的结构等方面，一般在结构的底部受拉区域粘贴FRP材料。与传统建设材料相比，在应用范围和应用领域方面尚有很大差距。目前，学者们正处于FRP和钢铁等复合材料研究的初级阶段，如欧进萍院士和张志春等人提出、设计并制作的一种FRP/钢绞线复合筋，将钢绞线和玻璃纤维混合，形成一种新型的SGFRP复合材料，并对其进行了单轴拉伸实验；东南大学的吴智深、吴刚等人以此为基础，提出并设计了以钢筋为内芯，并将其与纵向连续FRP纤维束复合成连续纤维/钢纤维复合筋（SFCB），并对这种复合材料的力学性能以及工程应用可能性进行了深入研究。FRP/钢复合板与FRP/钢复合筋相对比，具有非常多的相同点，但与之同时又具有一些不同点。因此，国内学者们深入研究FRP/钢复合板的力学特性具有重要的意义。

鉴于FRP材料和传统材料相比具有明显的优势，近年来我国各领域的专家纷纷加大对FRP材料的研究，FRP材料和传统钢材结合形成的FRP/钢复合板材料扬长避短，成为一种综合性能更强的新型材料，并在建筑工程领域得到广泛认可。

第二章 实验基本理论

2.1FRP/钢复合材料概述

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP)，FRP纤维-钢复合板材料是由纤维材料与其他基本材料混合后，加工形成的一种高性能材料，重量轻，坚硬，耐腐蚀，机械强度高，不导电，回收少，原材料种类繁多。 因此，FRP材料越来越多地用于工程应用和其他领域。随着20世纪40年代在美国研究的新材料的成功，新型FRP材料最初仅用于军事项目，知道今天才开始用于土木工程，随着研究的深入，该项目的应用范围也正在不断扩大。本文将介绍的FRP/钢复合材料是将FRP材料和传统钢材结合形成的，两种主要材料扬长避短，成为一种综合性能更强的新型材料。

2.2FRP/钢复合材料单轴单调拉伸理论分析

假定FRP /钢复合板在外部条件下配合在一起，并且复合板样品的外部FRP和内部钢板理想地连接，即_f_s。在本文理论分析中，外部FRP材料将会采用线性弹性模型（图2.1），内部钢板采用elasticoplasticity模型（图2.2），使用复合规则则，得到理论条件下FRP/钢复合板的单轴拉应力-应变关系模型（图2.3）。

图2.1 FRP理论模型 图2.2钢板理论模型

图2.3FRP/钢复合板试件理论模型

如图2.1所示，应力可承受范围内，FRP应力与应变比应该成正比，是一个理想的斜直线图形线；图2.2中，在内，钢板的应力与应变成斜直线上升，达到后应力变为一个固定的值，图形为水平直线。

两者复合后，由复合规则，得到理论模型如图2.3所示，图线可分为明显的三段：

在第一阶段（由0到_y的应变），该阶段内外部FRP和内部钢板都处于弹性状态，整体的应力与应变成正比关系，它的应力_I和弹性模量E_I为：

（1）

（2）

在第二阶段（由_y到ε_fu的应变），在此阶段，复合板内部钢板屈服，直到外部FRP破裂。从_y开始，内部钢板开始屈服，外载荷不受内部钢板的影响，全部由外部包裹的FRP承担。此时稳定二次刚度出现，在应力-应变图线上呈现一条斜直线，但斜率低于第一阶段斜直线的斜率。在这阶段内应力_Ⅱ和它的弹性模量E_Ⅱ为：

（3）