王玉敬1 耿俊雅1
商丘工学院 河南 476000
摘要：形状记忆合金（简称SMA）是一种新兴功能材料，因其具有奇特的形状记忆效应和超弹性特性，可恢复应变达6%-8%；玻璃纤维（GFRP）具有耐腐蚀、强度高、质量轻，耐电磁，易切割等优点，是一种既能防腐又有良好力学性能混凝土增强材料，以广泛运用于建设工程中；工程水泥基复（简称ECC）是一种高性能纤维增强水泥基复合材料，极限拉应变可达3%~6%，具有良好的超高韧性和裂缝控制能力，其延性远优于普通混凝土。因此，SMA-GFRP筋和工程水泥基复合材料增强钢筋混凝土结构，充分发挥三种材料的优越性能，有效提高结构或构件自复位能力、耗能能力和变形能力，以期可以实现既有建筑的高性能化。本文针对这三种材料的运用现状作简要分析。
关键词：SMA-ECC GFRP-ECC 混凝土结构
1 SMA-ECC复合增强混凝土结构研究现状
近些年来，由于工程水泥基复合材料和形状记忆合金良好的材料性能，在智能和弹性结构系统中成为强有力的竞争者，Mahmoud和Mohamed Ali Elsayed等人[33]研究了在新结构中应用ECC和SMA，检验复合材料在结构中的性能，同时把这两者运用于建筑的后期加固和改造，讨论了这些材料在结构应用中的广泛使用。结果表明，在静态和动态荷载作用下，SMA-ECC复合增强的构件性能更加优越，可使新型弹性复合材料具有优异的抗冲击性能，在基础设施受到爆炸、动态荷载和冲击荷载时起到至关重要的作用。
Ali,MAEM和Nehdi,ML等人[1]首先提出了一种具有裂纹愈合能力的新型混合工程胶凝复合材料，研究了该复合材料的力学性能，研究了随机分散聚乙烯醇(PVA)和形状记忆合金(SMA)纤维的力学性能。结果表明，PVA和SMA纤维的结合显著增强了ECC的拉伸和抗弯能力，比单独使用传统的ECC加入2%的PVA纤维增强要高的多。由于孔隙率和纤维聚类的增加，在一定的纤维剂量范围内，不能进一步提高机械性能。尽管由于热处理导致的现有PVA纤维受到损伤，但由于SMA纤维的稳定性能，热处理后的SMA-ECC试件由于热处理而自愈。这项研究的结果突出了一种可能性，即设计出具有卓越机械性能的新型水泥基复合材料，以减轻损害机制，提高对国家安全重要性至关重要的基础设施的安全性。
休斯顿大学的Li[2]等进行了SMA/ECC复合材料简支梁的循环加载试验，并和SMA普通混凝土梁、钢筋ECC梁以及普通RC梁进行了对比。研究结果表明，SMA/ECC梁具有较好的耗能性能和裂缝自修复能力以及变形延性，表明SMA/ECC复合材料可以提高混凝土结构在极端灾害事件中的抗灾变能力。如下图所示:
休斯顿大学的Gencturk和Hosseini[3]利用ECC和SEA在地震荷载作用下的性能，提出了一个新的柱形设计，它在塑性铰区设计了预制的ECC管，管内受力筋用Cu-Al-Mn和钢筋锚固连接，中间浇筑混凝土。与传统的钢筋混凝土和钢筋-ECC受力性能做对比。结果证明，与传统钢筋混凝土柱相比，SEA-ECC柱能够有效的降低混凝土塑性铰区的变形，耗能能力强，减少构件的损伤变形。虽然没有提高桥墩的抗剪承载力，但对桥墩的残余变形有了很大的提高，使其降低到原来的90%，大大降低了构件的变形。构件展示如下图所示:
2 GFRP-ECC复合增强混凝土结构研究现状
Zhou, Jikai [4]等人研究了纤维对GFRP钢筋混凝土梁扭转性能的影响。将聚丙烯纤维（PP）掺入混凝土中，提高了梁的力学性能。在纯扭荷载作用下，对8根不同纤维含量的钢筋混凝土梁进行了试验。试验结果表明，PP纤维能有效抑制裂纹的传播，减小了裂纹的间距和宽度。在0.7 mm的允许裂缝宽度下，纤维增强混凝土梁和工程胶凝材料梁的扭转力矩分别比普通混凝土梁分别高出10%和40%。此外，在1.5%的纤维含量中，纤维的利用强度增强，纤维含量越高，抗扭强度越大，梁的韧性也得到改善。最后给出了梁的开裂和极限扭转力矩的经验公式，预测值与实验结果吻合较好。
Choi,Yun Cheol探讨了ECC(工程胶凝复合材料)与玻璃钢(玻璃纤维增强聚合物)之间的粘结特性。主要研究了用聚乙烯醇(PVA)纤维增强的钢和GFRP钢筋在ECC中的粘结滑移特性。
根据RILEM准则，对8根试样进行了测试，并根据RILEM准则进行了试验。主要目的是评价荷载与位移、荷载与滑移行为及粘结强度有关参数的影响:混凝土类型(普通混凝土和纤维增强混凝土)和钢筋直径和类型。从试验结果来看，混凝土和ECC试件对钢筋试件的性能有相似的影响。然而，GFRPO增强构件的方式与此不同。对MC90的试验和方程进行了比较研究，并对其编码规律进行了较为保守的预测。
郝瀚，水中和等人研究了GFRP筋增强ECC梁的抗弯性能，并与GFRP筋在普通混凝土梁和普通RC梁做对比，结果表明，GFRP增强ECC的复合梁在抗弯承载力和延性这两方面比GFRP增强普通混凝土梁要好，前者在抗弯试验中表现出与普通RC梁相似的塑性破坏特征，与后者的脆性破坏有些许不同。在实验中还发现，GFRP筋增强ECC复合梁具有良好的协同工作能力，且两者都具有良好的耐久性，这种优势使得它们在沿海地区、海洋工程以及公路桥梁方面都有较大的应用前景。
潘金龙等人对FRP增强ECC梁及ECC/混凝土组合梁抗剪性能进行了试验、数值模拟和理论三方面的研究。结果证明，混凝土材料的剪切应力-应变曲线为线弹性，没有塑性阶段，而ECC表现出双折线的曲线形状，并具有应变硬化的特性。通过对基体材料、配箍率和剪跨比控制参数，可知，当配箍率达到0.24%和0.32%较为合理，超过这个配筋率对ECC梁的抗剪性能不仅不能提高，反而会加剧构件破坏时的脆性。并用ATENA有限软件，对构件进行模拟，其结果表明，剪跨比从2.08-3.21时，BFRP增强ECC梁的破坏模式由初始的剪压破坏到剪拉破坏再到弯曲破坏
3 结论
综上所述可知，SMA是一种新型智能材料，具有自感知、自诊断和自修复功能，其独特的形状记忆效应、超弹性以及高阻尼等特性能够有效解决工程中常遇见问题；ECC良好的延性、抗拉性能和抗弯性能，与SMA能够有效的互补；又因GFRP轻质高强，耐腐蚀，耐电磁，易切割等优点。所以本文提出了SMA/GFRP-ECC复合型梁，并对这个新型梁的自复位、高耗能和变形能力进行分析，主要需要研究一下几点：
（1）实验材料的拉伸实验
实验前，首先对材料进行拉伸实验，判断材料强度。对超弹性SMA做400°C/15min高温处理，然后进行单轴拉伸实验，拉伸时主要考虑以下几个方面：热处理方法、应变幅值递增以及应变循环次数对材料的影响；对钢绞线/ECC/GFRP进行抗拉强度实验，用来确定新型复合梁的抗弯性能和抗压性能,为后期实验设计提供理论基础。
（2）超弹性SMA/GFRP-ECC新型梁的准备和加载
本实验采用钢筋、钢绞线、SMA、GFRP、ECC和混凝土这六种材料组合成六种类型的梁，即钢筋/混凝土、钢筋/ECC、钢绞线/ECC、GFRP/ECC、SMA/ECC和SMA/GFRP/ECC。在保证相同的构件尺寸、配筋率、配箍率条件下，分别对这六种梁进行四点弯曲实验，并对试件的受力性能进行分析。
（3）对实验结果进行分析，得出结论
分别对六种构件进行四点弯曲实验，分析在加载过程中，裂缝数量和宽度的发展情况并得到荷载-位移曲线，并用ORIGIN软件分析了每个构件的骨架曲线、跨中挠度曲线、裂缝数量和宽度、刚度曲线以及自复位曲线，并对六种构件的曲线总结分析，得出结论。
参考文献：
[1]ABUOBIEDA, ALAMIN, AHMED, ALMANSOOR. 不同配筋率的GFRP筋混凝土梁受弯矩影响的有限元分析[J].2017, 24(9):143-180
[2]叶列平,冯鹏.FRP 在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报,2006,39( 3):24-36
[3]陈达,江朝华,张玮等.玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋混凝土梁斜截面受力性能[J].河海大学学报,2007,35(5): 534-537
[4]Li Xiao peng, Li Mo and Gang bing Song. Energy-dissipating and self-repairing SMA-ECC composite materiall system [J]. Smart Materials and Structures, 2015, 24(2):1-15