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碳纤维绳材试验研究与分析

文档作者：金文成王建华白金增黄琮文档来源： 1．华中科技大学a．土木工程与力学学院；b．控制结构湖北省重点实验室 2．秭归县公路管理局 3．安徽省交通规划设计研究院		点击数：	更新时间： 2022年08月28日
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第28卷第3期
2011年9月
土木工程与管理学报
Journal of Civil Engineering and Management
Vo1．28 No．3
Sep．2011
碳纤维绳材试验研究与分析
金文成 ， 王建华 ， 白金增 ， 黄琮
(1．华中科技大学a．土木工程与力学学院；b．控制结构湖北省重点实验室，湖北武汉430074；
2．秭归县公路管理局，湖北宜昌443600；3．安徽省交通规划设计研究院，安徽合肥230088)
摘要：FRP筋由于已完成固化，不易改变形状；FRP筋的弯折损伤又会造成强度折减，因此FRP筋不利于布
置为体内曲线预应力筋。纯纤维绳没有经过树脂固化工序，具有模量高、强度高、抗折能力强等特点，可用于结
构中为混凝土施加预应力。本文基于平行布置碳纤维绳展开，分析了其强度性质和试验表现，通过纤维绳试件
拉伸强度试验总结得到：两端固化中间自由的纤维绳，其破坏均在固化界面；试样纤维强度利用率较低，但细试
件要高于粗试件。纤维绳拉伸试验中，受固化界面的影响，绳子破坏强度低于其计算值。欲提高纤维强度利用
效率，需改进绳的生产工艺和张拉锚固技术。
关键词：碳纤维； 纤维绳材； 拉伸试验
中图分类号：TU599 文献标识码：A 文章编号：2095-0985(2011】03-0355-04
钢筋混凝土材料已广泛应用于桥梁工程中，
但是混凝土构件中的钢筋锈蚀问题常常表现得很
明显。为解决这个问题，人们做了很多尝试，包括
防锈涂层、电镀惰性金属、在混凝土中掺加保护剂
等，其主要思路是阻断钢材和诱导其锈蚀的环境
的接触。但这都没有改变钢筋自身易锈的性质，
若防锈工程的施工质量不佳，抗锈蚀效果往往不
理想。因此，防锈措施不能从根本上解决钢筋混
凝土材料的耐久性问题。用纤维加劲材料(fiber
reinforced polymer简称FRP)做混凝土中的加筋
材料，将会是一个有效的方法。FRP抗拉强度高、
密度小、无腐蚀性⋯ ，抗疲劳性好 ，是良好的建
筑材料，能根本上避免混凝土结构的锈蚀问题。
因此，FRP材料具有广阔的研究和应用前景。目
前，国内的研究工作主要集中在FRP筋的力学性
能 -61、FRP筋混凝土结构" 、FRP预应力结
构 、FRP桥梁应用研究 和利用FRP筋实现结
构监测等方面。本文的研究主要基于平行编束的
碳纤维绳开展。
1 碳纤维绳张拉试验
因纤维绳不宜直接用夹片式锚具夹持，为克
服这个缺点，预先将纤维绳两端夹持区用环氧树
脂固化。根据固化段的直径的不同，试样可分为
两种：D=25 mm(含T300—12K碳纤维696束)和
D=12 ram(含T300．12K碳纤维100束)。
1．1 试验方案
将多束碳纤维丝并拢在一起，组成平行碳纤
维绳。因其中无树脂基材，可称之为纯纤维绳；两
端夹持区用环氧树脂固化，可称之为预固化段；两
部分的交界处称为固化界面。将试样安装到引伸
机器上，进行破坏性拉伸试验，记录拉伸过程中的
F．△ 曲线，定义曲线中F的最大值为纤维绳的极
限承载力。
从上向下，第1根为FRP筋，2、3根为纤维绳
图1 纤维绳试件成品照片
1．2 试验破坏形式分析
观察破坏后的试件，可以看到：最终破坏全部
发生在固化界面上，平行纤维束部分完好，锚具夹
持部分没有明显破损和滑移。
试件的破坏断口可归纳为两种形式：(1)一
侧开裂致破坏(简称A)。开裂点距离固化界面
较远，从螺纹固化段一侧开裂，裂缝逐渐延伸到固
化界面，形成刀锋状断口。此时纤维绳被分成脱
落部和另一侧的主体两部分，脱落部的纤维已不
再受力，由剩余的主体部分纤维承受全部拉力直
收稿日期：2011-07—20
作者简介：金文成(1958一)，男，安徽望江人，教授，研究方向为钢筋混凝土及预应力混凝土技术(Email：87557610@163．corn)

第3期 金文成等：碳纤维绳材试验研究与分析 ·357·
件，其抗拉强度的均值大于形态A的试件。
理论计算900 mm长纤维绳的极限强度理论
值 b=1858．9 MPa，实测值盯 。=573 MPa，材料
强度利用率叼 5=0．31。
取1#和5#试件，1#试件是A破坏形态，5#试
件是B破坏形态。绘制两试件荷载．变形曲线如
图5。
图5 试件典型破坏曲线
根据荷载．变形曲线，纤维绳的受力过程和表
现可分以下四个阶段。
第一阶段：开始受力。千斤顶活塞刚开始顶
推时，绳材从松弛状态逐渐受力，压力读数增长较
慢，位移读数增加较快。
第二阶段：第一次破坏(初始开裂)。在张力
到达一定数值后(本批试件一般是50～80 kN)，
可以听到明显的纤维和树脂断裂的噼啪声响，固
化段外层纤维因为受力不均或材料缺陷开始破
坏。荷载有一个增长速度放缓(或者下降)的过
程。
第三阶段：第二次破坏(最终破坏)。在缺陷
部位因破坏失效后，纤维丝重分布所受荷载，只有
剩余的主体纤维受力，荷载继续增加直至最终破
坏。
第四阶段：拔出阶段。在试件全部失效后，纤
维丝继续张拉而从绳束中拔出，此时因为有摩擦
力的存在，绳子的拉力没有立即下降为0。
2．2 1)12碳纤维绳试验结果
试验前测量试件基本尺寸，试验完成后根据
最大极限拉力计算试件的换算强度 将计算
数据列人表3中。
表3 试件张拉基本数据
注：￡。、Lz为两端树脂固化段长度，L0为中间平行纤维束长
度，口 为固化端直径。
由表中数据样本可计算得到，所有试件的抗
拉强度均值为1291 MPa，标准差为205．2 MPa，离
散系数为15。9％ 。
理论计算300 mm长纤维绳平均强度的理论
值 =1981 MPa，试验值为 。=1291 MPa，材料
强度利用率叼 =0．65。
绘制试件的荷载-位移曲线，图只给出了试件
极限荷载之前的部分曲线。
Z
-
挺
E，侈／ram
图6 D12试件拉伸的荷载一变形曲线
可以看到，试件在达到失效前，其荷载-位移
曲线基本为直线。观察钢管的夹持部分，发现夹
头齿纹对钢管的夹痕清晰，无明显滑移。又下夹
头固定，上夹头的位移增量与绳材的变形有正比
关系，故可推测试件在张拉过程中的荷载和变形
的增量也有线性关系。
D12试件在张拉过程中荷载和变形基本呈比
例增长，直至达到荷载极值后破坏，无D25试件
中明显的两次破坏现象。
2．3 试验分析
D25和D12两种直径的纤维绳试件进行拉
伸破坏试验。试验结果支持以下观点：
(1)试件制备时，先将纤维绳两端夹持区用
环氧树脂固化，再用夹片或钢管锚固。试件的破
坏均出现在固化界面附近，原因是固化界面不齐
整，外侧纤维比内侧纤维受力大，最终在有损伤部
位率先开裂。破坏后的试件，纯纤维绳段没有损伤。
(2)D25试件试验强度 。。=573 MPa，理论
强度o-b=1858．9 MPa，材料强度利用率叼 =
0．31。D12试件试验强度 =1291 MPa，理论强
度 b=1981 MPa，材料强度利用率叼， =0．65。
相比于大直径构件，小直径构件获得了较高的强
度利用率。
(3)对于试验中采用的加工工艺生产的绳
材，小直径形式构件有利于提高纤维绳的材料强
度利用效率。尝试取消固化界面也是一种思路，
全长均做成自由纤维绳的形式或者将多根小直径
的CFRP筋编束后受力。尚需对锚固系统和张拉
工艺做进一步研究。
· 358· 土木工程与管理学报 2011拄
3 结论与展望
本课题组仔细观察了碳纤维绳试验现象并分
析了试验结果。本文主要得到以下结论：
(I)为方便纤维绳用夹片式锚具张拉和锚
固，可将纤维绳的两端夹持部预先用环氧树脂固
化。试验结果表明，应用了这种方法的试件其锚
固效果是良好的。
(2)比较D25、D12两种直径的强度利用效
率：7／ ：> 筋。可见，用较小直径的试件更有利于
提高纤维强度的利用效率。
本文的工作在碳纤维绳性能研究和应用探索
方面取得了一定进展，但在很多方面还有待于进
一步研究，如：
(1)虽然碳纤维绳具有良好的力学性能，但
受试验条件和方法的限制，试验结果不是很理想。
改进锚固张拉工艺，提高产品生产质量是材料性
能发挥作用的关键。
(2)纤维绳的长期受拉性能体现和抗疲劳性
能研究。
(3)纤维绳预应力混凝土的构件设计理论研究。
(4)纤维绳曲线张拉性能的试验研究。
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Experiment Research on Carbon Fiber Rope
JIN Wen—cheng ，WANG Jian—hua ，BAI Jin-zeng ，HUANG Cong
(1．a．School of Civil Engineering and Mechanics；b．Hubei Key Laboratory of Control Structure，
Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；
2．Zigui Highway Authority，Zigui 443600，China；
3．Anhui Communications Consulting and Design Institute，Hefei 230088
， China)
Abstract：Because of the presence of resin based materials，it is not easy to change the shape of FRP bars． At
the sa／ne time，bending at the steering block caused strength reduction．In short，FRP bars are not suitable for
in—body curve prestressed reinforcement．Carbon Fiber Ropes dont have resin curing process
，it has the characteristics
of high modulus，high strength，bending ability and SO on，it can applied to imposing prestressing
force for concrete structures．The strength characteristic of the parallel—layout carbon fiber bundles and its ex．
perimental phenomena was introduced in this paper． We manufactured test carbon fiber ropes to do tension
test．In order to anchor，we cured the both ends of the samples to a shape matching with the an chor8 where the
middle part of the ropes did not contain epoxy resin．According to the study of the failure patterns
， we learnt
that：all failure occurred near curing interface．Fiber utilization rate is low
， but the strength of fine specimen
is higher than that of the thick specimen(Large diameter，low intensity)．The average strength is lower than
calculated values．The existence of the curing interface reduced the strength of the ropes． Fiber utilization rate
would be better if we improve the production process and tension anchorage technology．
Key words：carbon fiber；fibre ropes；tensile test

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