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^[2～3]。

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，若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%。

图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：1∶1.8∶2.0；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)表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^[4～6]，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)