鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋拉壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

肖同亮 邱洪興 孫蘭香

(東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)分析是結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域中的一個(gè)重要課題，其中最為基礎(chǔ)的部分是確定鋼筋和混凝土材料在低周反復(fù)荷載下的本構(gòu)關(guān)系.鋼-纖維復(fù)合筋(steel fiber composite bar，SFCB)是一種在鋼筋外面包裹FRP縱向纖維的新型增強(qiáng)材料，具有可設(shè)計(jì)二次剛度等特點(diǎn)［1］.FRP防腐性能優(yōu)異但易發(fā)生脆性斷裂，鋼筋易腐蝕但具有良好的延性和耗能能力，2種材料的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，組成防腐性能好且力學(xué)性能優(yōu)異的新型復(fù)合筋材.SFCB在材料層次二次剛度的可設(shè)計(jì)性使其增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的極限承載力較屈服荷載也有一定幅度的提高，從而保證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是損傷可控的.作為一種新型筋材，復(fù)合筋在土木工程的各個(gè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景.

羅云標(biāo)［2］探索出連續(xù)纖維與鋼筋復(fù)合的關(guān)鍵工藝，在單調(diào)拉伸和往復(fù)拉伸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)假定鋼筋和纖維具有相同變形，依據(jù)復(fù)合法則給出了SFCB在往復(fù)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系;孫澤陽(yáng)等［3］基于拉拔試件對(duì)SFCB與混凝土的黏結(jié)性能開(kāi)展了基礎(chǔ)性研究.

復(fù)合筋在反復(fù)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系對(duì)其增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的滯回特性有重要影響.文獻(xiàn)［2］采用鋼筋和纖維具有相同變形的假定存在局限性，理論模型也沒(méi)有考慮復(fù)合筋纖維斷裂后的力學(xué)性能，拉壓力學(xué)性能差異是否顯著等都沒(méi)有得到試驗(yàn)驗(yàn)證.為了揭示其抗震性能和破壞機(jī)理，對(duì)復(fù)合筋拉伸與壓縮下的基本力學(xué)性能進(jìn)行研究十分必要.為此，本文開(kāi)展了鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋的單調(diào)拉伸、重復(fù)拉伸和壓縮試驗(yàn)，并進(jìn)行了相關(guān)機(jī)理分析.

1 試驗(yàn)

本文試驗(yàn)中的復(fù)合筋內(nèi)芯鋼筋采用直徑為12 mm的HRB400螺紋鋼筋，外包覆層采用江蘇綠材谷新材料科技發(fā)展有限公司提供的CBF13-2400tex玄武巖纖維.共制作了4種不同規(guī)格的纖維復(fù)合筋.

1.1 拉伸試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)概況

筋材拉伸試驗(yàn)參考文獻(xiàn)［4］方法，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.針對(duì)復(fù)合筋拉伸試驗(yàn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了單向和重復(fù)拉伸試驗(yàn)連接裝置，采用引伸計(jì)和應(yīng)變片分別測(cè)量標(biāo)距范圍內(nèi)的平均應(yīng)變和局部應(yīng)變.由于復(fù)合筋表層纖維是一種各向異性材料，橫向強(qiáng)度與縱向強(qiáng)度相差較大，為了便于端部夾持且防止套筒與筋材表面纖維間產(chǎn)生滑移，在筋材兩端采用特制長(zhǎng)套筒黏結(jié)式錨具(見(jiàn)圖1).應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化能夠從微觀層面上反映復(fù)合筋的力學(xué)特性并揭示破壞機(jī)理，通過(guò)在試件上的內(nèi)芯鋼筋和外包纖維上粘貼對(duì)稱布置的應(yīng)變片以及使用引伸計(jì)等方法，得到試件單調(diào)拉伸和重復(fù)拉伸下的荷載-鋼筋/纖維應(yīng)變曲線.拉伸試件編號(hào)、材料構(gòu)成及尺寸等參數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 復(fù)合筋拉伸試驗(yàn)裝置

表1 不同型號(hào)復(fù)合筋物理參數(shù)

1.1.2 加載方案

單調(diào)拉伸時(shí)，以0.5 mm/min的加載速度對(duì)試件進(jìn)行加載，直至外包覆層纖維全部斷裂，再以2 mm/min的加載速率將內(nèi)芯鋼筋拉斷.重復(fù)拉伸試驗(yàn)時(shí)，以0.5 mm/min的加載速度對(duì)試件進(jìn)行加載，以2 mm為加載等級(jí)遞增加載，將復(fù)合筋?yuàn)A持段位移加至4 mm后卸載至荷載為0，然后繼續(xù)加載位移至6 mm時(shí)卸載.如此重復(fù)，以2 mm遞增加載至14 mm后卸載，最后以2 mm/min的加載速度將復(fù)合筋外層纖維拉斷.

1.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

由于復(fù)合筋包含2種材料，且破壞前纖維并非同時(shí)斷裂，采用荷載-位移/應(yīng)變曲線表示筋材的宏觀力學(xué)特性更合理，如需要可根據(jù)筋材直徑換算得到筋材本構(gòu)關(guān)系.不同復(fù)合筋單調(diào)拉伸荷載-位移曲線比較見(jiàn)圖2.圖中曲線上的第1個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)內(nèi)芯鋼筋的屈服狀態(tài)，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)纖維開(kāi)始連續(xù)集中斷裂轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)荷載急劇下降至內(nèi)芯鋼筋屈服水平.表2給出了不同型號(hào)筋材的拉伸力學(xué)性能，不難看出纖維含量對(duì)筋材強(qiáng)屈比有較大影響.破壞形態(tài)如圖3所示，以外包纖維連續(xù)集中斷裂承載力大幅下降為破壞標(biāo)志.

圖2 復(fù)合筋單調(diào)拉伸荷載-位移曲線

表2 不同型號(hào)筋材拉伸力學(xué)性能比較

圖3 復(fù)合筋拉伸破壞形態(tài)

圖4為利用應(yīng)變片測(cè)得的S12B43型復(fù)合筋鋼筋與纖維在拉伸荷載下的應(yīng)變比較.由圖可知，內(nèi)芯鋼筋在受拉屈服前與外包纖維黏結(jié)較好，受制作工藝限制，纖維在鋼筋屈服前未充分張緊，鋼筋應(yīng)變稍微大于纖維應(yīng)變;內(nèi)芯鋼筋屈服后，鋼筋的塑性變形較大，導(dǎo)致結(jié)合面膠層逐步破壞，外包纖維與內(nèi)芯鋼筋間產(chǎn)生局部滑移，反映在應(yīng)變上即為纖維應(yīng)變大于鋼筋應(yīng)變，出現(xiàn)鋼筋的應(yīng)變滯后現(xiàn)象.

圖4 S12B43型復(fù)合筋單調(diào)拉伸的荷載-纖維/鋼筋應(yīng)變曲線

圖5 S12B43型復(fù)合筋重復(fù)拉伸的荷載-位移曲線

圖5為S12B43型復(fù)合筋在重復(fù)拉伸下的荷載-位移曲線.由圖可知，在內(nèi)芯鋼筋屈服前后卸載，卸載曲線斜率與初始加載曲線的斜率大致相等，再加載曲線與卸載曲線基本重合，且通過(guò)前次卸載點(diǎn)，抗拉承載力沒(méi)有降低.隨著塑性變形的發(fā)展，卸載曲線呈現(xiàn)出一定的非線性特征.在卸載與再加載循環(huán)過(guò)程中，復(fù)合筋卸載曲線與再加載曲線不再重合，卸載剛度與再加載剛度呈現(xiàn)出先大后小變化規(guī)律，形成一個(gè)小的滯回環(huán)，滯回環(huán)的面積表示復(fù)合筋中纖維膠層與鋼筋之間相對(duì)滑移產(chǎn)生的內(nèi)部耗能大小.

重復(fù)荷載作用下，纖維應(yīng)變走勢(shì)總體與荷載-位移曲線一致，當(dāng)荷載卸到0時(shí)，纖維內(nèi)存在拉應(yīng)變(見(jiàn)圖6);內(nèi)芯鋼筋在屈服前呈現(xiàn)線彈性工作狀態(tài)，屈服后卸載情形下應(yīng)變出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明出現(xiàn)了內(nèi)芯鋼筋受壓而外包纖維受拉的自平衡現(xiàn)象，但卸載曲線和再加載曲線基本與初始剛度曲線保持平行(見(jiàn)圖7).重復(fù)的加卸載加劇了纖維膠層的開(kāi)裂及其與內(nèi)芯鋼筋的滑移，在拉伸試驗(yàn)后期鋼筋應(yīng)變有較大增加，塑性變形明顯導(dǎo)致應(yīng)變片破壞.

圖6 S12B43型復(fù)合筋重復(fù)拉伸荷載-纖維應(yīng)變曲線

1.2 壓縮試驗(yàn)

制作了包括鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋、鋼筋與純玄武巖纖維筋在內(nèi)的6種共18個(gè)對(duì)比受壓試件，試件制作參考材料力學(xué)受壓試件標(biāo)準(zhǔn)，試件長(zhǎng)度與直徑的比值控制在1～3范圍內(nèi).壓縮試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖8(a)，參考文獻(xiàn)［5］的方法在壓縮裝置四周設(shè)置LVDT傳感器，以精確測(cè)量壓縮變形.復(fù)合筋受壓破壞始于外包纖維膠層的開(kāi)裂與纖維的分離.復(fù)合筋壓縮破壞形態(tài)如圖8(b)所示.

圖7 S12B43型復(fù)合筋重復(fù)拉伸荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

圖8 壓縮試驗(yàn)裝置與試件破壞形態(tài)

壓縮試件型號(hào)與力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 壓縮試件型號(hào)與力學(xué)性能參數(shù)

各壓縮試件的荷載-位移曲線如圖9所示.由圖9(b)可知，純纖維的壓縮破壞為脆性破壞，且抗壓能力較弱，這也證實(shí)了玄武巖纖維是一種抗拉性能優(yōu)異但抗壓性能較差的拉壓異性材料.

從圖9(c)中復(fù)合筋壓縮試驗(yàn)荷載-位移曲線不難看出，內(nèi)芯鋼筋相同時(shí)，隨著外包纖維束的增加，在彈性受壓階段相差不大，鋼筋屈服前纖維參與抗壓較為明顯，使得受壓屈服荷載略有增加.鋼筋屈服后，隨著塑性變形的增大，纖維膠層由于鋼筋橫向膨脹而開(kāi)裂，纖維失去抗壓能力，基本由內(nèi)芯鋼筋承擔(dān)受壓荷載，因此在后期各復(fù)合筋抗壓能力趨于一致，可見(jiàn)不考慮外包纖維的受壓作用這一假定是可行的.

圖9 壓縮荷載-位移曲線

2 理論分析

國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼筋的本構(gòu)關(guān)系已有大量研究，目前被廣泛采用的鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型包括理想彈塑性模型、雙線性硬化模型等.這些模型形式簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，且能夠較好地模擬鋼筋的力學(xué)性能.文獻(xiàn)［6］結(jié)合Hoehler模型提出了一種鋼筋動(dòng)態(tài)循環(huán)本構(gòu)模型，文獻(xiàn)［7］基于鋼筋拉伸與壓縮試驗(yàn)提出一種宏觀的預(yù)測(cè)鋼筋本構(gòu)關(guān)系的理論模型;在此基礎(chǔ)上，許多學(xué)者提出了不同荷載條件下的鋼筋本構(gòu)關(guān)系，并討論了箍筋間距對(duì)鋼筋屈曲問(wèn)題的影響［8-11］.然而，對(duì)鋼-纖維復(fù)合筋的力學(xué)理論模型目前研究較少，文獻(xiàn)［2］假定鋼筋和纖維應(yīng)變相同，忽略了膠層的影響，對(duì)纖維受壓力學(xué)性能也沒(méi)有給出明確定義，且理論模型沒(méi)有考慮復(fù)合筋纖維斷裂后力學(xué)性能等.本文旨在基于試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞機(jī)理分析，提出關(guān)于復(fù)合筋的簡(jiǎn)單實(shí)用的本構(gòu)關(guān)系及理論模型.

2.1 骨架曲線

拉伸與壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合筋為拉壓異性材料，拉伸時(shí)可充分考慮纖維的增強(qiáng)作用，壓縮時(shí)為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，可忽略受壓纖維和膠層的抗壓貢獻(xiàn)，僅考慮受壓內(nèi)芯鋼筋的作用.在反復(fù)荷載作用下，恢復(fù)力模型骨架曲線見(jiàn)圖10.圖中，線段1～線段8為復(fù)合筋加載、卸載、反向再加載的路徑順序.在彈性拉伸加載、卸載階段(線段1)，曲線斜率為E1A;在非彈性拉伸加載階段(線段2)，曲線斜率為E2A;在彈性壓縮加載階段，曲線斜率E'1A=EsAs，壓縮屈服后荷載P'sf=f'yAs保持不變，其中，E1A=EsAs+EfAf，E2A=EfAf，其中，E1，E2，E'1分別復(fù)合筋在屈服前、后和受壓屈服前的彈性模量，A為復(fù)合筋橫截面積，Es為鋼筋彈性模量，Ef為纖維彈性模量，As為鋼筋面積，Af為纖維面積，f'y為鋼筋受壓屈服強(qiáng)度.SFCB拉伸荷載-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式為

壓縮荷載-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式為

式中，εsf為復(fù)合筋受拉應(yīng)變;εsfy為復(fù)合筋內(nèi)芯鋼筋受拉屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的纖維應(yīng)變;εsfu為復(fù)合筋極限應(yīng)變，對(duì)應(yīng)外包纖維拉斷時(shí)應(yīng)變;ε'sf為復(fù)合筋受壓應(yīng)變;ε'sfy為內(nèi)芯鋼筋受壓屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的復(fù)合筋應(yīng)變.

圖10 復(fù)合筋拉壓荷載-應(yīng)變恢復(fù)力模型

2.2 滯回規(guī)則

在宏觀描述筋材力學(xué)性能時(shí)，可將卸載剛度定義為開(kāi)始卸載點(diǎn)到卸載至荷載為零點(diǎn)的連線剛度.試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著塑性變形的增大，卸載剛度逐漸減小.進(jìn)入塑性階段后，正向非彈性卸載階段(線段3)的曲線斜率為EuA，卸載模量為

式中，εp為各循環(huán)加載的塑性應(yīng)變(εp=εsfεsfy);γ為模量退化系數(shù)，結(jié)合本文重復(fù)拉伸試驗(yàn)，建議此處γ=0.062.

反向非彈性卸載模量與反向初始加載模量相等，即E'u=Es(見(jiàn)圖10中線段6).

對(duì)于非彈性反向加載曲線路徑，當(dāng)反向加載未超過(guò)屈服荷載時(shí)，反向加載路徑由卸載后應(yīng)變軸上的相應(yīng)點(diǎn)指向反向骨架線的屈服點(diǎn);當(dāng)反向加載超過(guò)骨架線的屈服點(diǎn)時(shí)，反向加載則由卸載后應(yīng)變軸上相應(yīng)點(diǎn)指向反向骨架線上曾經(jīng)達(dá)到的最大應(yīng)變點(diǎn)(見(jiàn)圖10中線段7和線段8).

3 結(jié)論

1)鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋是一種拉壓力學(xué)性能不對(duì)稱的復(fù)合筋材，纖維比例對(duì)筋材受拉強(qiáng)屈比有較大影響.內(nèi)芯鋼筋受拉屈服前與外包纖維黏結(jié)較好，能夠共同工作，二者不存在相對(duì)滑移;內(nèi)芯鋼筋屈服后結(jié)合面膠層逐步破壞，外包纖維與內(nèi)芯鋼筋間產(chǎn)生局部滑移，出現(xiàn)鋼筋的應(yīng)變滯后現(xiàn)象.重復(fù)拉伸加卸載下出現(xiàn)內(nèi)芯鋼筋受壓而外包纖維受拉的自平衡現(xiàn)象，隨著塑性變形的增大，卸載剛度逐漸減小.

2)壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，在鋼筋屈服前，隨著外包纖維比例的增加，纖維整體抗壓能力有所增強(qiáng)，鋼筋屈服后纖維逐漸失去抗壓能力，受壓荷載主要由內(nèi)芯鋼筋承擔(dān).因此，采用不考慮外包纖維受壓作用的理論模型是可行的.

3)針對(duì)復(fù)合筋拉壓不對(duì)稱特性并結(jié)合理論分析，提出了簡(jiǎn)單實(shí)用的骨架曲線與滯回規(guī)則，并給出了卸載模量退化系數(shù)建議值，為該類筋材在混凝土結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)與有限元數(shù)值模擬提供了理論依據(jù).

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