玻璃纖維增強(qiáng)塑料布約束混凝土圓柱尺寸效應(yīng)

于 洋，楊 勇，張?jiān)品?，陳思?/p>

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)

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玻璃纖維增強(qiáng)塑料布約束混凝土圓柱尺寸效應(yīng)

于 洋，楊 勇，張?jiān)品?，陳思?/p>

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)

對(duì)3根玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)布約束鋼筋混凝土圓柱和3根未約束鋼筋混凝土圓柱的試件進(jìn)行了試驗(yàn)，并且對(duì)15個(gè)模擬試件進(jìn)行了有限元分析，探究了不同體積配置率對(duì)軸心受壓下GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：鋼筋混凝土圓柱的尺寸越大，其極限抗壓強(qiáng)度和極限應(yīng)變?cè)叫?GFRP布約束大尺寸試件的效果越顯著；但隨著GFRP布體積配置率的增大，大尺寸試件的極限抗壓強(qiáng)度降低幅度比小尺寸試件有所減小，并且體積配置率的增加對(duì)尺寸效應(yīng)有所改善。當(dāng)體積配置率達(dá)到0.139時(shí)，試件的極限抗壓強(qiáng)度的提高幅度有所減弱。對(duì)于相似試件，GFRP布體積配置率建議選用0.104較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

玻璃纖維增強(qiáng)塑料；尺寸效應(yīng)；體積配置率；極限抗壓強(qiáng)度；鋼筋混凝土

0 引言

近幾年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料(glass fiber reinforced plastic，GFRP)布約束鋼筋混凝土柱[1]成為一種新興加固形式[2]，GFRP布約束混凝土的力學(xué)性能成為研究熱點(diǎn)之一[3]。鋼筋混凝土柱體在實(shí)際工程中得到普遍應(yīng)用[4]。GFRP布約束混凝土柱構(gòu)件的組合結(jié)構(gòu)可有效減輕結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量，同時(shí)減緩混凝土柱的老化[5]。許多學(xué)者對(duì)GFRP布約束混凝土構(gòu)件進(jìn)行了分析[6-7]，但主要集中在GFRP布約束混凝土力學(xué)性能的分析[8-9]。雖然對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的尺寸效應(yīng)開(kāi)展了研究[10]，但沒(méi)有得到GFRP布約束混凝土的最優(yōu)比[11]，也沒(méi)有比較系統(tǒng)的理論可供參考，更沒(méi)有給出明確的定量計(jì)算公式。所以開(kāi)展GFRP約束鋼筋混凝土圓柱尺寸效應(yīng)的分析，對(duì)于工程實(shí)踐具有重大意義[12-13]。

通過(guò)軸壓試驗(yàn)和ANSYS有限元分析，對(duì)不同GFRP布體積配置率下約束鋼筋混凝土圓柱的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，具體分析了不同體積配置率約束組合構(gòu)件的極限抗壓強(qiáng)度，及應(yīng)力-應(yīng)變的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

考慮GFRP布體積配置率的影響，設(shè)計(jì)了3根未約束鋼筋混凝土圓柱(Y組)和3根GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱(W組)。每組組內(nèi)試件參數(shù)滿(mǎn)足幾何相似的特點(diǎn)，且W組試件GFRP布纏繞層數(shù)按試件尺寸由小到大分別是3層、4層和5層。試件尺寸D×h，其中，D為混凝土圓柱直徑，h為圓柱高。GFRP布體積配置率ρ=4nt/D，其中，n為GFRP布層數(shù)，t為GFRP布厚度，D為試件直徑。Y組的體積配置率均為0，W組的體積配置率分別為 0.069、0.104和0.139，具體試件參數(shù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)中的測(cè)點(diǎn)主要為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和位移測(cè)點(diǎn)。GFRP布的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在GFRP布三等分點(diǎn)處，在各個(gè)測(cè)點(diǎn)處分別粘貼一個(gè)縱向和一個(gè)環(huán)向應(yīng)變片。有GFRP布約束的試件在中截面平均分布3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)處粘貼橫向應(yīng)變片和縱向應(yīng)變片。用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量?jī)x采集混凝土的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變。將一對(duì)量程為50 mm的百分表對(duì)稱(chēng)布置在試驗(yàn)機(jī)下壓板上，同時(shí)，用計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)對(duì)構(gòu)件的軸向位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)提取，對(duì)兩個(gè)百分表所得的數(shù)據(jù)對(duì)比和平均后，得到試件的軸向位移。

表1 試件參數(shù)

1.2 加載方案

本試驗(yàn)為單調(diào)軸壓試驗(yàn)，加載設(shè)備為500 t級(jí)的YAW-5000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，荷載及試件軸向位移由試驗(yàn)機(jī)傳感器采集。

加載前，調(diào)整試件，保證其軸心受壓。全程由計(jì)算機(jī)控制施加荷載，先對(duì)試件預(yù)加載10%，使試件與上下承壓板充分接觸，使其幾何對(duì)中后卸載，并檢查、校正位移計(jì)和應(yīng)變測(cè)量?jī)x，直至調(diào)整完成，開(kāi)始正式加載。先以極限荷載的10%進(jìn)行分級(jí)加載，每加載一級(jí)保持穩(wěn)定后，記錄位移及應(yīng)變值，直至加載到預(yù)估極限荷載的70%，然后以極限荷載的5%分級(jí)加載，直至試件破壞，即GFRP布斷裂，試驗(yàn)終止。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制Y組和W組的荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)

Y組試件荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)變化規(guī)律較為相似，試件Y-1曲線(xiàn)變化規(guī)律如圖1a所示。由圖1a可知：在加載初期，試件Y-1處于彈性階段，荷載與應(yīng)變呈線(xiàn)性變化，應(yīng)變的增長(zhǎng)速率較小，且軸向應(yīng)變比環(huán)向應(yīng)變大；隨著荷載增加，應(yīng)變快速增大。Y組試件的荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)的斜率由大到小依次是試件Y-3、試件Y-2和試件Y-1，說(shuō)明：幾何相似的鋼筋混凝土圓柱，尺寸越大，應(yīng)變的增長(zhǎng)速率越小，試件抵抗變形能力越強(qiáng)，剛度越大，且試件的最大軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變均隨試件尺寸增大而減小。

W組試件荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)變化規(guī)律相似，試件W-1曲線(xiàn)變化規(guī)律如圖1b所示。由圖1b可知：當(dāng)荷載加至接近到未約束試件的極限承載力時(shí)，應(yīng)變急劇增大，應(yīng)變隨荷載增加呈曲線(xiàn)變化，表現(xiàn)出明顯的雙線(xiàn)性特征。W組試件中，試件W-1的拐點(diǎn)出現(xiàn)最早，然后依次是試件W-2和試件W-3。試件W-1的塑性階段較長(zhǎng)，相對(duì)變形量較大；試件達(dá)到極限承載力時(shí)，W-1的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變最大，即試件的尺寸越大，極限應(yīng)變?cè)叫　ＥcY組試件(未約束試件)相比，W組試件(GFRP布約束試件)的極限承載力和極限應(yīng)變有顯著提高。荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)在加載初期呈線(xiàn)性變化，曲線(xiàn)斜率較大，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率較?。划?dāng)荷載加至接近未約束試件的極限承載力時(shí)，應(yīng)變急劇增加，應(yīng)變隨荷載增大呈曲線(xiàn)變化，表現(xiàn)出明顯的雙線(xiàn)性特征，說(shuō)明GFRP布起到了良好的約束作用。

2.2 荷載-位移關(guān)系曲線(xiàn)分析

GFRP布約束試件的荷載-位移曲線(xiàn)變化規(guī)律較為相似，曲線(xiàn)變化規(guī)律如圖2所示。圖2中位移為電測(cè)百分表實(shí)測(cè)的各試件的環(huán)向位移、軸向位移的平均值。由圖2可知：在加載初期，試件W-1處于彈性階段，位移隨荷載呈線(xiàn)性變化，曲線(xiàn)與未約束試件(試件Y-1)相似；當(dāng)荷載加至接近未約束試件(試件Y-1)的極限承載力時(shí)，位移加速增長(zhǎng)，試件W-1進(jìn)入彈塑性階段。對(duì)比未約束試件(試件Y-1)的荷載-位移曲線(xiàn)，GFRP布約束試件(試件W-1)的塑性階段較長(zhǎng)且曲線(xiàn)趨于平緩，說(shuō)明GFRP布使試件的極限承載力和延性得到了提高，約束作用顯著。

圖2 GFRP布約束試件的荷載-位移關(guān)系曲線(xiàn)

2.3 體積配置率對(duì)試件的影響分析

為了研究不同GFRP布體積配置率對(duì)鋼筋混凝土圓柱力學(xué)性能的影響，將配筋率為1.2%、混凝土強(qiáng)度均為C30的W組試件和Y組試件的極限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。試件的極限抗壓強(qiáng)度如表2所示。

表2 試件的極限抗壓強(qiáng)度

由表2可知：在GFRP布體積配置率的作用下，未約束的試件Y-1、Y-2和Y-3的極限抗壓強(qiáng)度分別由23.64 MPa、19.91 MPa和17.79 MPa提高到GFRP布約束后的32.44 MPa、30.19 MPa和29.27 MPa，極限抗壓強(qiáng)度的提高幅度分別為37.23%、51.63%和64.53%，約束效果顯著。幾何相似試件的極限抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸的增大而減小，且試件尺寸越大，GFRP布的約束作用使得試件的極限抗壓強(qiáng)度的提高幅度越大，GFRP布的約束效果越顯著，說(shuō)明GFRP布約束試件的抗壓強(qiáng)度的提高主要由GFRP布的側(cè)向約束力產(chǎn)生。鋼筋混凝土圓柱與GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱都存在明顯的尺寸效應(yīng)，即試件的極限強(qiáng)度隨試件尺寸的增大而減小，且未呈線(xiàn)性變化。GFRP布約束試件與無(wú)約束試件的極限抗壓強(qiáng)度變化有一定的區(qū)別，隨試件尺寸增大，GFRP布約束試件的極限抗壓強(qiáng)度差越來(lái)越小，這是由于GFRP布的離散性比混凝土小，其約束作用使得鋼筋混凝土柱的尺寸效應(yīng)得到改善。

3 有限元分析

3.1 試件設(shè)計(jì)

為了研究不同體積配置率GFRP布對(duì)鋼筋混凝土圓柱的約束尺寸效應(yīng)，選取混凝土強(qiáng)度為C30，配筋率為1.2%，GFRP布體積配置率分別為0.069、0.104和0.139的3組試件，具體參數(shù)見(jiàn)表3。利用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行模擬分析，得到了試件的極限抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。

表3 模擬試件參數(shù)

3.2 有限元模型的建立

本文建立的有限元模型為分離式模型，不考慮材料之間的滑移，混凝土采用solid65單元，GFRP布采用shell41單元，鋼筋采用link8單元。為了能夠更加精確地反映研究對(duì)象的性能，采用自定義網(wǎng)格尺寸的映射劃分法。為考慮大變形，GFRP布單元的網(wǎng)格劃分為三角形單元。根據(jù)W組試件(W-1)試驗(yàn)值與試件A1、B2、C3有限元模擬的結(jié)果，繪制了荷載-位移曲線(xiàn)對(duì)比圖，如圖3所示。

圖3 荷載-位移曲線(xiàn)對(duì)比圖

由圖3可知：有限元模擬的荷載-位移曲線(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果吻合情況較好，在荷載達(dá)到未約束鋼筋混凝土柱的極限承載力前，有限元模擬與試驗(yàn)的荷載-位移曲線(xiàn)基本保持一致;隨著荷載增加，荷載-位移曲線(xiàn)有略微的差異，但在允許范圍內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果有差異的主要原因?yàn)椋涸囼?yàn)時(shí)，由于混凝土攪拌、GFRP布粘貼工藝的限制，導(dǎo)致試件的實(shí)際強(qiáng)度與設(shè)計(jì)強(qiáng)度有所偏差。GFRP布的模擬是理想狀態(tài)，假定材料平面絕對(duì)平整，只考慮GFRP布的環(huán)向受拉作用，與實(shí)際試驗(yàn)有一定差異，從而使試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果有偏差。綜上所述，試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果吻合情況良好，說(shuō)明有限元模型具有可行性，可以用其進(jìn)行后續(xù)GFRP布約束鋼筋混凝土柱尺寸效應(yīng)的分析。

3.3 有限元分析

不同GFRP布體積配置率的試件的極限抗壓強(qiáng)度模擬值如表4所示。

表4 試件的極限抗壓強(qiáng)度模擬值

由表4可知：幾何相似的試件，隨尺寸增大，極限抗壓強(qiáng)度減小。以A組試件的極限抗壓強(qiáng)度作為參照，B組試件的極限抗壓強(qiáng)度分別提高了14.89%、17.78%、19.84%、21.10%和21.66%，C組試件的極限抗壓強(qiáng)度分別提高了22.73%、26.79%、25.27%、24.32%和23.67%。說(shuō)明隨著GFRP布體積配置率的增大，試件的極限抗壓強(qiáng)度有所提高，且試件尺寸越大，極限抗壓強(qiáng)度的提高幅度越大。但GFRP布的體積配置率為0.139時(shí)，試件C3的極限抗壓強(qiáng)度的增幅比C2小，即體積配置率持續(xù)增加，極限抗壓強(qiáng)度的增幅有減弱趨勢(shì)。不同GFRP布體積配置率的鋼筋混凝土試件的極限強(qiáng)度隨尺寸增大而減小，且未呈線(xiàn)性變化；隨著試件尺寸增大，GFRP布體積配置率為0.104的試件極限抗壓強(qiáng)度降低率最小，說(shuō)明因?yàn)镚FRP布的離散性比混凝土小，GFRP布的約束使鋼筋混凝土圓柱的尺寸效應(yīng)得到改善。但當(dāng)GFRP布體積配置率增加到0.139后，GFRP布的約束效果會(huì)有所減弱。綜上所述，實(shí)際應(yīng)用對(duì)于相似試件的GFRP布體積配置率建議選用0.104較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

3.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)分析

GFRP布試件體積配置率分別為0.069、0.104和0.139時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 不同GFRP布體積配置率試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

由圖4可知：幾何相似的GFRP布約束試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)有一定差異，試件的尺寸越大，相同應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值越小，說(shuō)明試件尺寸越大，GFRP布約束效果越好；試件的極限抗壓強(qiáng)度、極限應(yīng)變隨試件尺寸增大而減小。尺寸相同的試件，GFRP布體積配置率越高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)越平緩，極限抗壓強(qiáng)度和極限應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

4 結(jié)論

(1)幾何相似的鋼筋混凝土圓柱存在尺寸效應(yīng)，即尺寸越大，其極限抗壓強(qiáng)度、極限應(yīng)變?cè)叫?，抵抗變形能力越差，GFRP布約束大尺寸試件的效果越顯著。但隨GFRP布體積配置率的增大，達(dá)到0.139時(shí)，試件的極限抗壓強(qiáng)度的提高幅度有所減弱。對(duì)于相似試件，GFRP布體積配置率建議選用0.104較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

(2)尺寸相同的試件，隨GFRP布體積配置率的增加，大尺寸試件的極限抗壓強(qiáng)度降低幅度有所減小，尺寸效應(yīng)有所改善。

(3)尺寸越大，GFRP布約束效果越好；試件的極限抗壓強(qiáng)度、極限應(yīng)變隨尺寸增大而減小。尺寸相同的試件，GFRP布體積配置率越高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)越平緩，極限抗壓強(qiáng)度和極限應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308028)

于洋(1977-)，男，黑龍江大慶人，副教授，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)等方面的研究.

2016-11-10

1672-6871(2017)03-0054-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.03.012

TU398.9

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