足尺寸GFRP筋HFRC柱的軸壓性能與理論研究

鄧宗才， 賈鵬星

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程防災(zāi)減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

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足尺寸GFRP筋HFRC柱的軸壓性能與理論研究

鄧宗才， 賈鵬星

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程防災(zāi)減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

為了研究玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋混雜纖維混凝土(hybrid fiber reinforced concrete，HFRC)柱的軸壓性能，進(jìn)行了5個(gè)GFRP筋HFRC柱和1個(gè)未配筋HFRC柱的軸壓試驗(yàn)，分析了GFRP箍筋間距和縱筋配筋率對GFRP筋HFRC柱軸壓性能的影響規(guī)律. 結(jié)果表明：提高GFRP縱筋配筋率可以提高試件的承載力，箍筋間距小的試件的延性明顯高于箍筋間距大的試件. 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出了GFRP筋HFRC柱峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變以及承載力的計(jì)算公式.

GFRP筋；混雜纖維混凝土；軸壓性能；承載力；變形

柱子在結(jié)構(gòu)中通常起著最關(guān)鍵的作用，關(guān)鍵部位一個(gè)受壓構(gòu)件的失效就會導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效. 目前常用的是鋼筋混凝土柱. 在海洋環(huán)境、鹽堿地區(qū)、橋梁工程和化工廠廠房等承受腐蝕作用的混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋易腐蝕，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全性和使用壽命. 纖維增強(qiáng)聚合物(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)是替代鋼筋、用于腐蝕環(huán)境中結(jié)構(gòu)的最理想材料. 玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋具有抗拉強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能優(yōu)良和電磁絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)[1].

目前，F(xiàn)RP筋增強(qiáng)普通混凝土柱以及鋼筋增強(qiáng)纖維混凝土柱的軸壓性能已有相關(guān)研究[2-7]，但關(guān)于GFRP筋的混雜纖維混凝土(hybrid fiber reinforced concrete，HFRC)柱的軸壓特性及理論未見報(bào)道. 為了彌補(bǔ)GFRP筋的線彈性和脆性較大的不足，本文混凝土中摻加了短切高性能聚烯烴纖維(polyolefin, PP)以及聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維，以改善GFRP筋混凝土柱的變形能力. 粗聚烯烴纖維、PVA纖維間具有良好的協(xié)同效應(yīng)，優(yōu)勢互補(bǔ)，由于PVA纖維較細(xì)且表面有親水羥基，與基體黏結(jié)良好，纖維拔出過程會消耗較多的能量；粗聚烯烴纖維較長，表面凹凸不平，增加了它與基體的黏結(jié)效果，對提高HFRC裂后變形能力有較大貢獻(xiàn)，纖維在拔出和拉斷的過程中消耗了較多能量[8]. 本文進(jìn)行了6根GFRP筋HFRC柱的軸壓試驗(yàn)，分析了GFRP筋的箍筋間距和縱筋配筋率對纖維混凝土柱的軸壓性能的影響規(guī)律，提出了GFRP筋纖維混凝土柱的承載力計(jì)算公式，為工程應(yīng)用FRP筋混凝土柱提供參考數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與材料

共設(shè)計(jì)6個(gè)圓形截面柱，其中1個(gè)未配筋HFRC柱，5個(gè)GFRP筋HFRC柱，柱子的直徑為380 mm，高度為1 300 mm. 柱編號和配筋列于表1，其中：“G”后的數(shù)字表示GFRP縱筋的根數(shù)；“-”后數(shù)字表示GFRP箍筋間距，如G6-90，表示縱筋6根，箍筋間距為90 mm；N為未配筋試件；ρf為縱筋配筋率；d、n分別為縱筋直徑和根數(shù)；dv為箍筋直徑；ρv為體積配箍率；s為箍筋間距.

表1 試件編號匯總

HFRC的材料組成和配合比見表2，其中水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，砂子為中砂，減水劑采用復(fù)配的西卡高效聚羧酸減水劑；粗纖維為上海羅洋材料有限公司提供的波浪形PP，直徑1 mm，長度40 mm，抗拉強(qiáng)度530 MPa，彈性模量5.6 GPa；PVA直徑20 μm，長度10 mm，抗拉強(qiáng)度1 600 MPa.

GFRP筋由南京鋒暉復(fù)合材料有限公司提供，縱筋的抗拉強(qiáng)度840 MPa，彈性模量45 GPa；螺旋箍筋的抗拉強(qiáng)度336 MPa，彈性模量45 GPa.

表2 纖維混凝土組分及配合比

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

將內(nèi)徑380 mm的PVC管切割成長度為1 300 mm的管子，底部用木板封住. 用扎帶將GFRP筋按照設(shè)計(jì)的箍筋間距和縱筋根數(shù)及位置綁扎好，為保證破壞發(fā)生在試件中部，試件兩端分別設(shè)置250 mm箍筋加密區(qū)，加密區(qū)內(nèi)箍筋間距為50 mm. 將綁扎好的GFRP筋放入PVC管中，把GFRP筋固定在PVC管上，使之周圍和PVC管的距離保持一致. 將攪拌均勻的纖維混凝土分批倒入PVC管中，倒入的過程中用振動棒振搗密實(shí). 7 d后將PVC管切除，自然養(yǎng)護(hù)21 d，開始試驗(yàn). 試件制作過程如圖1所示.

1.3 試驗(yàn)加載與測試內(nèi)容

在試件中部的箍筋上等間距貼4個(gè)應(yīng)變片，用來測箍筋的應(yīng)變. 每隔1根縱筋貼1個(gè)應(yīng)變片，用來測縱筋的應(yīng)變. 柱高中部位置混凝土的四周等間距貼4個(gè)縱向和4個(gè)橫向的應(yīng)變片，用來測混凝土的縱向和橫向應(yīng)變. 同時(shí)，在柱子的四周用4個(gè)位移計(jì)測定軸向變形量. 用20 MN的電液伺服機(jī)加載，峰值荷載前用力控制加載速率，加載速率150 kN/min，峰值荷載后用位移控制加載速率，加載速率0.12 mm/min. 為了消除試件兩端不平整對試驗(yàn)的影響，在試件兩端鋪一層細(xì)砂找平. 正式加載前先預(yù)加載至50 kN，如果試件四周的應(yīng)變均在四周應(yīng)變平均值的±5%范圍以內(nèi)，表示試件受荷均勻，否則重新調(diào)整對中，直至滿足要求. 對中完畢后，開始加載直到試件破壞. 用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù). 試驗(yàn)加載裝置見圖2.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形態(tài)

未配筋試件加載初期處于彈性階段，其軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變均較?。划?dāng)加載至峰值荷載的85%左右時(shí)，試件中部出現(xiàn)微裂縫，位移增加的速率逐漸加快，并伴有纖維拔出和斷裂的“噼啪”聲；隨著荷載的增加，微裂縫逐漸增多且向試件兩端延伸，當(dāng)加載至峰值荷載時(shí)，裂縫開裂明顯；隨后荷載迅速減小，裂縫逐漸變寬，但由于纖維的橋聯(lián)作用試件完整性較好.

配筋試件加載初期和未配筋試件類似，其軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變均較小，箍筋尚未發(fā)揮作用；當(dāng)加載至峰值荷載的80%～90%時(shí)，試件中部出現(xiàn)微裂縫；隨著荷載的增加伴有纖維拔出和斷裂的“噼啪”聲，到達(dá)峰值荷載時(shí)，裂縫開裂明顯，此時(shí)箍筋作用較??；隨后試件軸向和環(huán)向應(yīng)變增長較快，箍筋的約束作用逐漸增大，荷載較未約束試件下降緩慢；當(dāng)荷載下降到峰值荷載的85%左右時(shí)箍筋斷裂，有較大的響聲，隨后荷載迅速下降. 試件在軸壓過程中并未發(fā)生保護(hù)層脫落現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)[1]中描述的GFRP筋增強(qiáng)普通混凝土柱明顯不同，文獻(xiàn)[1]中保護(hù)層脫落現(xiàn)象很嚴(yán)重. 待加載完畢后用錘子鑿開裂縫處的保護(hù)層，觀察到箍筋和縱筋都已斷裂，如圖3(d)所示. 試件破壞過程如圖3所示.

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

試驗(yàn)結(jié)果列于表3. 表中Pmax為柱子承載力實(shí)測值，fcc和εcc分別為約束HFRC的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變，fco和εco分別為非約束HFRC的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變，Pb為柱子峰值荷載時(shí)縱筋的總荷載，εs和εb分別為柱子峰值荷載時(shí)箍筋和縱筋的應(yīng)變實(shí)測值. 混凝土的延性系數(shù)用比值ε85/ε1表示，ε85是軸向荷載下降到峰值荷載的85%時(shí)所對應(yīng)的軸向應(yīng)變，ε1是上升段彈性極限所對應(yīng)的應(yīng)變[9]，見圖4.

由表3可見，GFRP筋HFRC柱的承載力Pmax的范圍為5 124～5 680 kN，此時(shí)縱筋的軸向應(yīng)變εb的范圍為3.524×10-3～5.256×10-3，遠(yuǎn)小于其極限應(yīng)變(1.860×10-3)；峰值荷載時(shí)箍筋的應(yīng)變范圍為1.524×10-3～2.428×10-3，遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[1]中GFRP筋普通混凝土柱的305×10-6，這表明峰值荷載時(shí)GFRP筋HFRC柱的箍筋應(yīng)力比GFRP筋普通混凝土的大很多，約束作用不能忽略. HFRC的峰值應(yīng)變εcc的范圍為3.561×10-3～5.203×10-3，比文獻(xiàn)[1]中GFRP筋普通混凝土柱的峰值應(yīng)變εcc(1.746×10-3～2.740×10-3)大1倍左右，這表明GFRP筋HFRC混凝土在達(dá)到承載力之前的變形性能更好.

2.3 應(yīng)力- 應(yīng)變曲線

由于試件加載過程中，混凝土保護(hù)層并未脫落，所以認(rèn)為縱筋和混凝土之間沒有發(fā)生滑移，其應(yīng)變相等，故混凝土的應(yīng)力計(jì)算公式為

(1)

式中：P為荷載實(shí)測值；Ef為GFRP縱筋的彈性模量;εc為混凝土的縱向應(yīng)變；Af為GFRP縱筋總截面面積.

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖5為混凝土的軸向應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明，在加載初期試件處于彈性變形階段，箍筋尚未發(fā)揮約束作用，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線幾乎是直線. 隨著荷載增加，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線逐漸變彎，應(yīng)變的增長速率快于應(yīng)力增長. 隨著荷載進(jìn)一步增加，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線斜率急劇減小，隨后應(yīng)力- 應(yīng)變曲線到達(dá)峰值點(diǎn). 峰值點(diǎn)后GFRP箍筋能夠繼續(xù)發(fā)揮約束，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線下降較為平緩，延性較好，一直持續(xù)到應(yīng)力下降到85%峰值應(yīng)力后GFRP筋才會破壞. 最后，因GFRP箍筋斷裂核心混凝土承載力迅速下降，試件破壞. 觀察文獻(xiàn)[1]中GFRP筋普通混凝土柱的荷載- 應(yīng)變曲線可知柱子破壞時(shí)軸向應(yīng)變?yōu)?×10-3～6×10-3，而本文中柱子破壞時(shí)軸向應(yīng)變在8×10-3以上，因此，GFRP筋HFRC柱的變形能力更強(qiáng).

2.4 影響承載力、變形的因素

2.4.1 GFRP縱筋配筋率

圖6(a)為其他條件相同但縱筋配筋率不同的3個(gè)試件和未配筋試件的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線. 由圖6(a)可知，縱筋配筋率對HFRC的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的影響很小. 由表3可知，隨著縱筋配筋率的提高(1.06%、1.42%、1.77%)，試件G6-70、G8-70、G10-70的峰值荷載相對于未配筋試件N分別提高21.1%、22.9%、24.6%；HFRC峰值應(yīng)力分別提高15.9%、16.1%、16.4%；HFRC峰值應(yīng)變分別提高43.4%、39.8%、36.6%. 這表明隨著縱筋配筋率的提高，縱筋分擔(dān)的荷載增加，柱子承載力有所提高；而配筋率對HFRC峰值應(yīng)力、應(yīng)變的影響很小. 此外，當(dāng)縱筋配筋率從1.06%增加到1.77%，峰值荷載時(shí)縱筋承擔(dān)的荷載所占的比重Pb/Pmax從4.22%增加到6.55%，延性系數(shù)從2.53降低到1.56. 這表明隨著縱筋配筋率的提高，縱筋承擔(dān)的荷載比重增加，但也增加了柱子的脆性.

2.4.2 GFRP箍筋間距

圖6(b)為其他條件相同但箍筋間距不同的三個(gè)試件和未配筋試件的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線. 由圖6(b)可知，箍筋間距越小，HFRC峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變越大，下降段越平緩. 由表3可知，隨著箍筋間距的減小，試件G6-90、G6-70、G6-50的峰值荷載相對于未配筋試件N分別提高15.9%、21.1%、28.5%；HFRC峰值應(yīng)力分別提高11.5%、15.9%、22.1%；HFRC峰值應(yīng)變分別提高21.3%、43.4%、77.2%. 這表明箍筋間距越小，試件的承載力以及HFRC的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變越大. 此外，當(dāng)箍筋間距從90 mm降低到50 mm，峰值荷載時(shí)縱筋承擔(dān)的荷載所占的比重Pb/Pmax從3.73%增加到5.02%，延性系數(shù)從1.63增加到3.50. 因此，較小的箍筋間距具有較好的約束效果.

3 GFRP筋HFRC柱的理論分析

3.1 箍筋對HFRC的有效約束應(yīng)力

在軸壓荷載的作用下，混凝土的側(cè)向膨脹使得箍筋產(chǎn)生應(yīng)力，箍筋的約束應(yīng)力沿柱高分布不均勻，產(chǎn)生拱效應(yīng)，如圖7所示. 縱向方向上相鄰箍筋的中間高度截面上的有效約束區(qū)面積Ae為最小，它與混凝土核心面積Acc之比被定義為有效約束系數(shù)ke[10]，圓柱的有效約束系數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中:s′是箍筋的凈間距;ds是柱子截面直徑上箍筋中軸線之間的距離.

文獻(xiàn)[10]用有效側(cè)向約束應(yīng)力fle來計(jì)算混凝土達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)圓形箍筋對混凝土的約束應(yīng)力的大小.

fle=0.5keρvfh

(3)

式中:ρv表示體積配箍率;fh表示混凝土峰值應(yīng)力時(shí)箍筋應(yīng)力.

3.2 HFRC峰值應(yīng)力時(shí)箍筋應(yīng)力

圖8為試件G6-50實(shí)測箍筋應(yīng)變- 柱子軸向荷載曲線，由圖8可知當(dāng)HFRC達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)GFRP筋并未達(dá)到極限狀態(tài)，所以，計(jì)算HFRC峰值應(yīng)力所對應(yīng)的箍筋應(yīng)力時(shí)不可以直接用箍筋的抗拉強(qiáng)度. 試驗(yàn)表明，若箍筋間距較大(90 mm)，HFRC峰值應(yīng)力時(shí)橫向膨脹較小，所對應(yīng)的箍筋應(yīng)變很小(1.524×10-3)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到箍筋的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)箍筋間距較小時(shí)(50 mm)，HFRC峰值應(yīng)力所對應(yīng)的箍筋應(yīng)變相應(yīng)增大(2.428×10-3)，箍筋的約束作用較強(qiáng).

文獻(xiàn)[11]假定混凝土到達(dá)峰值應(yīng)力時(shí)所對應(yīng)的箍筋應(yīng)力是配箍率、箍筋形狀、混凝土強(qiáng)度和截面尺寸的函數(shù)，回歸出了混凝土峰值應(yīng)力對應(yīng)的箍筋應(yīng)力的計(jì)算公式，根據(jù)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出混凝土峰值應(yīng)力對應(yīng)的箍筋應(yīng)力的計(jì)算公式為

(4)

式中:Ev為箍筋的彈性模量;fco為未約束混凝土強(qiáng)度.

3.3 HFRC的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變

由試驗(yàn)結(jié)果回歸出纖維混凝土的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變分別為

(5)

(6)

fcc/fco和εcc/εco計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合良好，見圖9.

3.4 GFRP筋HFRC柱的承載力

由于FRP筋增強(qiáng)普通混凝土柱在峰值荷載時(shí)箍筋的約束作用很小，現(xiàn)有研究[1,5]中柱子承載力的計(jì)算公式都未考慮箍筋的貢獻(xiàn). 文獻(xiàn)[1]中FRP筋增強(qiáng)普通混凝土柱的承載力公式為

P0=0.85f′c(A-Af)+0.35ffAf

(7)

式中：A表示柱子的截面面積；f′c表示標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件的抗壓強(qiáng)度;ff表示縱筋的抗拉強(qiáng)度;Af表示GFRP縱筋的總截面面積.

文獻(xiàn)[5]中FRP筋增強(qiáng)普通混凝土柱的承載力公式為

P0=φf(fcAc+λfEfεfAf)

(8)

式中:φf表示長柱穩(wěn)定系數(shù);fc表示混凝土軸心抗壓強(qiáng)度;λf表示承載力折減系數(shù)，建議取λf=0.7;εf表示縱筋壓應(yīng)變，建議取εf=0.002 5;Ac、Af分別表示混凝土和縱筋截面面積.

本文試驗(yàn)結(jié)果表明，箍筋和縱筋對承載力都有貢獻(xiàn)，柱子承載力公式由2個(gè)部分組成：約束混凝土的承載力和縱筋的承載力，其公式為

P0=fcc(A-Af)+EfεccAf

(9)

式中：P0表示柱子的承載力；A表示柱子的截面面積；Af表示GFRP縱筋的總截面面積；fcc用式(5)計(jì)算，εcc用式(6)計(jì)算.

將本文和文獻(xiàn)[1，5]的承載力計(jì)算值與本文試驗(yàn)值對比，見圖10. 由圖可知，試驗(yàn)值與式(7)的計(jì)算值之比Pmax/P0在1.118～1.239，試驗(yàn)值與式(8)的計(jì)算值之比Pmax/P0在1.202～1.245，而試驗(yàn)值與式(9)的計(jì)算值之比Pmax/P0在1.007～1.020. 因此，式(7)和式(8)的承載力計(jì)算公式偏保守，這是由于FRP筋普通混凝土柱在峰值荷載時(shí)箍筋的約束作用很小，被忽略掉了，而GFRP筋HFRC柱在峰值荷載時(shí)箍筋的約束作用較大. 本文提出的公式能夠較好地預(yù)測GFRP筋HFRC柱的承載力.

4 結(jié)論

1) GFRP筋HFRC柱的軸壓過程中并未發(fā)生混凝土保護(hù)層剝落的現(xiàn)象，因此認(rèn)為縱筋和混凝土變形協(xié)調(diào).

2) 箍筋直徑相同時(shí)，較小的箍筋間距具有較好的約束效果. 隨著箍筋間距的減小，配箍率逐漸增大，HFRC的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線下降段更加平緩，柱子的延性更好.

3) 隨著縱筋配筋率的提高，試件的承載力有一定的提高，但HFRC峰值應(yīng)變有所降低.

4) GFRP筋普通混凝土柱峰值荷載時(shí)箍筋的約束作用很小，承載力計(jì)算可不考慮箍筋的約束作用，而GFRP筋HFRC柱峰值荷載時(shí)箍筋的約束作用不可忽略. 本文提出的承載力公式由2個(gè)部分組成：約束HFRC的承載力和GFRP縱筋的承載力，能夠較好地預(yù)測GFRP筋HFRC柱的承載力.

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(責(zé)任編輯 鄭筱梅)

Axial Compression Performance and Theoretical Study of Full-size HFRC Columns Reinforced With GFRP Bars and Spirals

DENG Zongcai， JIA Pengxing

(The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

In order to study the axial compression behaviors of HFRC (hybrid fiber reinforced concrete)columns reinforced with GFRP(glass fiber reinforced polymer)bars and spirals，five HFRC columns reinforced with GFRP bars and spirals and one HFRC column were tested. The influence effects of the stirrup spacing and longitudinal reinforcement ratio were analyzed. The results indicate that the increase of longitudinal reinforcement ratio can enhance the bearing capacity and the ductility of small stirrup spacing specimens was significantly higher than that of large stirrup spacing specimens. According to the experimental data, the calculation formula of the peak stress, peak strain and the bearing capacity of GFRP reinforced HFRC columns are returned.

glass fiber reinforced polymer(GFRP)bars and spirals；hybrid fiber reinforced concrete(HFRC)；axial compression performance；axial capacity；deformation

2016- 04- 13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378032，51578021)

鄧宗才(1961—)， 男， 教授， 主要從事新型工程材料及結(jié)構(gòu)方面的研究， E-mail：dengzc@bjut.edu.cn

TU 375.3

A

0254-0037(2016)12-1873-07

10.11936/bjutxb2016040037