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柔性纤维混凝土的动力响应

放大字体  缩小字体 发布日期:2005-09-24  来源:《暨南大学学报》(自然科学版)  作者:姚立宁1 ,2 , 张妃二2 , 郭仁俊2 , 谢 灵2 , 何军拥1 , 陈湘新2
核心提示:柔性纤维混凝土的动力响应

[摘 要]  研究碳/芳纶混杂柔性纤维混凝土的动力特性从柔性纤维的几何特点和受力性能出发采用了悬臂梁纤维混凝土试件进行波动特性的研究柔性纤维混凝土能够承受较大的变形增大了材料能量耗散改善了动力性能纤维混杂以及波纹纤维的曲线角对其动力耗散有重要的作用

[关键词]  混杂柔性纤维纤维混凝土动力响应

柔性纤维复合材料是20世纪80年代后期才出现的一种新型材料它与热固性或热塑性聚合物基体复合材料相比有较大的变形范围有较高的承载能力和良好的动力性能在低应力作用时呈低刚度性能而在高应力作用时却表现出相当高的强度和刚度它的应用也很广泛从汽车、飞机的轮胎、传送带轻便房屋结构帐篷降落伞减速器防弹衣建筑隔板到球拍等都可以用柔性复合材料来制造[1]

混凝土材料一直是一种低应变的脆性材料主要是用于抗压和静态环境随着混凝土改性的研究混凝土的弹塑性功能日益增长传统观念上的混凝土已经被大大突破了具有特殊功能的混凝土不断涌现[2,3]混杂柔性纤维混凝土利用不同性能的纤维材料构建柔性纤维混凝土充分发挥不同纤维的优势混杂效应明显是纤维混凝土研究的一个新的方向

1  柔性纤维的几何分析

为了适应低应力较大的变形需要柔性复合材料的增强纤维通常设计为曲线形状对于连续纤维而言可考虑设计为正弦波型的纤维形式[23]

 

      

其中λ为波长,a为幅值

若用θ表示纤维曲线的切线夹角那么

纤维的微分长度为

其中       由式(2)可知

这样波长内纤维长度

利用第二类椭圆积分式(5)可表示为

其中

对于连续纤维其曲线形式组合通常可分为等相位组合和随机相位组合两类对于等相位曲线纤维x坐标相同曲线纤维的θ也相同而对于随机相位曲线纤维的θ值无一定的规律随机相位的曲线纤维有如下形式

其中l为纤维在x方向的平移系数那么纤维的方向角可以定义在如下范围

纤维的方向角θ与纤维的柔性有关

 

2  动力响应的实验研究

实验首先通过自由振动法测量纤维混凝土简单结构的动力特性其次由静力试验测量材料的力学性能所用纤维的物理力学性能为碳纤维T300-12K,抗拉强度3530MPa,弹性模量230GPa,伸长率1.5%;芳纶纤维Twaron-1K,抗拉强度2800MPa,弹性模量65GPa,伸长率3.4%。

1为试验用的两种柔性纤维网片实验试件的制作如下:AC20—碳-芳纶纤维相间混杂曲线角20;AC30—碳-芳纶纤维相间混杂曲线角30;A20—芳纶纤维曲线角20;A30—芳纶纤维曲线角30;C20—碳纤维曲线角20;C30—碳纤维曲线角30;C0 —无纤维配比:11.82.0;水灰比:0.45 ; 聚灰比:0.05。 

3  动力响应分析

用计算机对瞬态响应曲线作快速傅立叶变换可得到频谱图从频谱曲线上用峰值列表法很容易定出各阶固有频率如图2给出了AC20试件某时段的瞬态响应曲线以及相应的FFT实时谱

 

   从上述的试验和理论分析可以总结如下

(1)增强纤维可以降低构件固有频率碳纤维的影响较芳纶纤维大混杂纤维的影响小于两者纤维曲线角对构件固有频率也有影响

(2)纤维会影响对数衰减系数碳纤维和芳纶纤维会增大对数衰减率就曲线角对衰减系数的影响来讲曲线角30°时的影响较明显

(3)波纹纤维对固有频率和对数衰减率的影响最终体现在它可以增大构件的阻尼比碳纤维的效果较芳纶纤维好混杂纤维的效果介于两者之间纤维曲线角对构件阻尼比也有影响当混杂纤维曲线角为30°时构件的阻尼比较大

(4)1中材料损耗因子β反映了材料动力能量的耗散能力与纤维曲线角有关也反映了混杂纤维的耗散能力较强[46]值得研究者注意

 

    含波纹纤维混凝土是纤维增强材料混凝土在概念上一种更新和进步更强调了混凝土材料的基体弹塑性具有从小变形到大变形然后再到小变形的特殊过程特别是其动力响应和能量耗散均有较好的性能对于混凝土既保持原有抗压的优良性能又扩展其他功能具有特别的作用波纹纤维的曲线角对其动力耗散有重要的作用但波纹纤维曲线角大于30°时作用减少说明纤维曲线角增大到一定程度就成为横向增强的主要因素而在纵向的作用降低波纹纤维可以预制成定型织物横向用可降解纤维编织固定浇筑以后仍可保留原有形状混凝土作为传统的低应变脆性材料的观念正在改变期待更多的研究能进一步实现这种改变

 

[参考文献]

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

[2] 姚立宁.柔性复合材料及其应用[J]. 力学进展,1993,23(3):386-397。[J].力学进展,    1993, 23(3):386-397。

[3] 姚立宁. 平纹织物复合材料的振动能量耗散及阻尼分析[J]。 固体力学学报, 1995,16(1):69-73。

[4] 姚立宁张妃二郭仁俊等波纹纤维混凝土的动力耗散研究[J]。 河南科学, 2002,20(6):638-641。

[5] 姚立宁.中空柔性纤维混凝土动力耗散研究[M]。 北京清华大学出版社,2002: 262-267。

[6] 姚立宁. 柔性纤维混凝土波动特性研究[J]。 华南理工大学学报(自然科学版), 2003,31:41-43。

作者:

(1. 广州航海高等专科学校交通建筑系广东广州510725 ;2. 广东工业大学建设学院广东广州510090)

 
 
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