柔性纖維混凝土的動力響應(yīng)

[摘　要] 　研究碳/芳綸混雜柔性纖維混凝土的動力特性。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，改善了動力性能。纖維混雜以及波紋纖維的曲線角對其動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力性能，在低應(yīng)力作用時，呈低剛度性能，而在高應(yīng)力作用時，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，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，混雜效應(yīng)明顯，是纖維混凝土研究的一個新的方向。

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，a為幅值。

若用θ表示纖維曲線的切線夾角，那么

纖維的微分長度為

其中       。由式(2)可知

這樣波長內(nèi)纖維長度

利用第二類橢圓積分式(5)可表示為

其中

對于連續(xù)纖維，其曲線形式組合通常可分為等相位組合和隨機(jī)相位組合兩類。 對于等相位曲線纖維，若x坐標(biāo)相同，曲線纖維的θ也相同，而對于隨機(jī)相位曲線纖維的θ值無一定的規(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 　動力響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)首先通過自由振動法測量纖維混凝土簡單結(jié)構(gòu)的動力特性，其次由靜力試驗(yàn)測量材料的力學(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，伸長率1.5%；芳綸纖維Twaron-1K，抗拉強(qiáng)度2800MPa，彈性模量65GPa，伸長率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 —無纖維。 配比：1∶1.8∶2.0；水灰比：0.45 ； 聚灰比：0.05。 

3 　動力響應(yīng)分析

用計(jì)算機(jī)對瞬態(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試件某時段的瞬態(tài)響應(yīng)曲線以及相應(yīng)的FFT實(shí)時譜。

　  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。纖維曲線角對構(gòu)件固有頻率也有影響。

(2)纖維會影響對數(shù)衰減系數(shù)。碳纖維和芳綸纖維會增大對數(shù)衰減率，就曲線角對衰減系數(shù)的影響來講，曲線角30°時的影響較明顯。

(3)波紋纖維對固有頻率和對數(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。纖維曲線角對構(gòu)件阻尼比也有影響，當(dāng)混雜纖維曲線角為30°時，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，特別是其動力響應(yīng)和能量耗散均有較好的性能，對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其動力耗散有重要的作用，但波紋纖維曲線角大于30°時作用減少，說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)]

[1] CHOU T W . Review flexible composites[J]. J Mater Sci，1989，24：761-783。

[2] 姚立寧.柔性復(fù)合材料及其應(yīng)用[J]. 力學(xué)進(jìn)展，1993，23(3)：386-397。[J].力學(xué)進(jìn)展，    1993， 23(3)：386-397。

[3] 姚立寧. 平紋織物復(fù)合材料的振動能量耗散及阻尼分析[J]。 固體力學(xué)學(xué)報， 1995，16(1)：69-73。

[4] 姚立寧，張妃二，郭仁俊等。 波紋纖維混凝土的動力耗散研究[J]。 河南科學(xué)， 2002，20(6)：638-641。

[5] 姚立寧.中空柔性纖維混凝土動力耗散研究[M]。 北京：清華大學(xué)出版社，2002： 262-267。

[6] 姚立寧. 柔性纖維混凝土波動特性研究[J]。 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2003，31：41-43。

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)