FRP編織網(wǎng)/ECC復(fù)合加固鋼筋混凝土圓柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

朱忠鋒　 王文煒

(東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)

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FRP編織網(wǎng)/ECC復(fù)合加固鋼筋混凝土圓柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

朱忠鋒 王文煒

(東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)

考慮纖維編織網(wǎng)表面處理、層數(shù)和ECC施工工藝等因素,對(duì)FRP編織網(wǎng)/ECC復(fù)合增強(qiáng)鋼筋混凝土圓柱進(jìn)行了靜力軸向受壓試驗(yàn),研究了加固柱的承載力和變形能力．在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,利用有限元軟件建立了加固柱的數(shù)值分析模型．試驗(yàn)結(jié)果表明,加固柱的破壞形態(tài)為BFRP編織網(wǎng)斷裂;隨著編織網(wǎng)層數(shù)的增加,加固柱的極限荷載和變形性能均有所提高;FRP編織網(wǎng)經(jīng)過(guò)表面處理后,顯著地改善了與ECC的界面黏結(jié)性能和共同工作性能;涂抹ECC和噴射ECC與FRP編織網(wǎng)形成的復(fù)合加固層,均能對(duì)核心鋼筋混凝土柱提供有效的側(cè)向約束應(yīng)力,延緩了縱筋的屈服．計(jì)算結(jié)果表明,利用所建立的非線性有限元模型,可以有效地預(yù)測(cè)加固柱的極限荷載和受力性能．

FRP編織網(wǎng);ECC;加固;數(shù)值分析

隨著外貼FRP(fiber reinforced polymer)加固技術(shù)的發(fā)展,研究者發(fā)現(xiàn)在潮濕、高溫或火災(zāi)等情況下,環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)黏結(jié)劑的老化和較低的玻璃化溫度Tg(60～82 ℃)嚴(yán)重影響構(gòu)件的加固效果[1-5],造成FRP-混凝土界面黏結(jié)性能退化．

為解決上述問(wèn)題,一些學(xué)者嘗試采用無(wú)機(jī)材料作為黏結(jié)劑,先后出現(xiàn)了無(wú)機(jī)膠粘貼法、纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)改性砂漿(textile reinforced mortar,TRM)/混凝土(textile reinforced concrete,TRC)加固法及FRP格柵增強(qiáng)水泥砂漿加固法用于增強(qiáng)混凝土構(gòu)件．但TRM/TRC法改性砂漿滲透性差、延伸率低、FRP編織網(wǎng)與水泥基界面黏結(jié)強(qiáng)度不足等[6-10]．鑒于此,本文提出使用FRP編織網(wǎng)與高延性工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite,ECC)，形成復(fù)合加固層，用于混凝土墩柱的加固技術(shù)(FRP textile reinforced ECC,FRE)．基于該項(xiàng)加固技術(shù),使用玄武巖編織網(wǎng)(basalt fiber reinforced polymer textile, BFRP textile)與ECC對(duì)15根鋼筋混凝土圓柱進(jìn)行了加固,探討其在軸向壓力作用下的破壞模式、約束機(jī)理及極限承載力．

1　試驗(yàn)

1.1試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了6組鋼筋混凝土圓柱試件,每組3個(gè)相同的試樣,如表1所示．其中，RC為未加固的對(duì)比柱,其余試件均為使用BFRP編織網(wǎng)/ECC復(fù)合層增強(qiáng)的加固柱;FRE1和FRE1E使用的是1層編織網(wǎng),FRE2E使用2層編織網(wǎng),FRE3E使用3層編織網(wǎng)．試件FRSE1的加固層由1層編織網(wǎng)與噴射ECC復(fù)合而成,目的是研究FRP編織網(wǎng)增強(qiáng)噴射ECC對(duì)鋼筋混凝土柱加固效果的影響．所有試件的尺寸均為φ200 mm×600 mm(直徑×柱高)．復(fù)合加固層中ECC厚度均為30 mm．試件配筋及加固方案如圖1(a)所示．

RC柱制作好后,對(duì)表面進(jìn)行打磨處理,涂抹一層厚度約為10 mm的ECC,將編織網(wǎng)纏繞在柱體表面,然后涂抹剩余的ECC形成復(fù)合加固層(見(jiàn)圖1(b)、(c))．對(duì)于使用噴射ECC的加固柱,先噴射一層厚度約10 mm的ECC,然后纏繞編織網(wǎng),最后噴射剩余的ECC．

表1　試件設(shè)計(jì)表

圖1圓柱加固圖

1.2材料性能

ECC材料由P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、一級(jí)粉煤灰、石英砂(最大粒徑不大于0.6 mm)、硅灰、高效聚羧酸液態(tài)減水劑、速凝劑及PVA纖維組成,配合比(質(zhì)量比)如表2所示．PVA纖維采用日本可樂(lè)麗公司生產(chǎn)的長(zhǎng)度為12 mm的短纖維,體積摻量為2%．通過(guò)ECC軸向拉伸試驗(yàn)[11]得到涂抹用ECC(ECC1)極限拉應(yīng)力為3.4 MPa,極限拉應(yīng)變?yōu)?.0%;噴射ECC(ECC2)極限拉應(yīng)力為4.7 MPa,極限拉應(yīng)變?yōu)?.8%．ECC的抗拉彈性模量均值為3.93 GPa．試驗(yàn)中,測(cè)得混凝土齡期28 d的平均抗壓強(qiáng)度為37.0 MPa．

編織網(wǎng)采用縱橫向絲束間隔為25 mm×25 mm的雙向BFRP編織網(wǎng)．絲束截面尺寸為0.67 mm×5.42 mm．參照《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》(GB/T 3354—1999)[12]對(duì)BFRP編織網(wǎng)進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)．編織網(wǎng)的力學(xué)性能如表3所示．

表2　ECC配合比

表3　材料性能　MPa

1.3試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用500 t液壓伺服壓力機(jī)加載．在圓柱中部位置沿著縱向和橫向各對(duì)稱(chēng)布置2個(gè)長(zhǎng)度為60 mm應(yīng)變片，測(cè)量試件的表面應(yīng)變．采用長(zhǎng)度為5 mm的應(yīng)變片測(cè)量圓柱內(nèi)部縱筋、箍筋及BFRP編織網(wǎng)的應(yīng)變．在圓柱的頂部和底部設(shè)置位移傳感器測(cè)量試件的縱向變形．在試件達(dá)到極限荷載前,采用荷載控制,速率為2.4 kN/s;達(dá)到極限荷載后,采用位移加載控制,速率為0.5 mm/s．所有數(shù)據(jù)均通過(guò)東華靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量獲得．

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1破壞形態(tài)

對(duì)比柱RC在縱筋受壓屈服后混凝土壓碎,柱體表面有多條縱向裂縫(見(jiàn)圖2(a))．加固柱的破壞形態(tài)為內(nèi)部縱向鋼筋屈服后復(fù)合加固層中BFRP編織網(wǎng)斷裂,如圖2(c)～(e)所示．FRE1組試件中，BFRP編織網(wǎng)與ECC在破壞前發(fā)生了較明顯的滑移(見(jiàn)圖2(b)),說(shuō)明編織網(wǎng)表面處理有助于提高界面的黏結(jié)強(qiáng)度．

圖2　試件破壞形式

2.2荷載-變形曲線

圖3給出了所有試件(6組試件，每組3個(gè)相同試樣)的荷載-變形曲線．由圖可知,曲線分為上升和下降2個(gè)階段．在上升階段,所有試件曲線的斜率基本相同,表明在荷載相對(duì)較小的階段,編織網(wǎng)/ECC復(fù)合層對(duì)核心混凝土的約束作用較小,加固柱的整體軸向剛度略有增長(zhǎng)．隨著荷載的增加,復(fù)合加固層中的ECC出現(xiàn)豎向裂縫,加固柱軸向剛度逐漸降低,曲線的斜率逐漸減?。?dāng)縱向鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí),加固柱的軸向剛度降低的程度越來(lái)越顯著,承載力基本不再增加．隨著ECC裂縫的開(kāi)展、增寬,BFRP格柵斷裂,加固柱達(dá)到極限荷載．復(fù)合加固層破壞后,荷載-變形曲線進(jìn)入下降段．

圖3　荷載-變形曲線

相對(duì)于對(duì)比柱, FRE1組試件開(kāi)裂荷載的平均值為744.5 kN,提高了35.9%; FRE1E～FRE3E組的平均值均在950 kN左右,提高了73%,表明復(fù)合加固顯著地增加了柱的開(kāi)裂荷載．與未加固柱相比, FRE1E，F(xiàn)RE2E和FRE3E極限荷載的平均值分別提高了44.6%，49%和56.4%,說(shuō)明隨著編織網(wǎng)層數(shù)的增多,加固柱的極限抗壓承載力有所增加．使用噴射ECC與BFRP編織網(wǎng)復(fù)合增強(qiáng)的FRSE1,其極限荷載提高了62.6%,對(duì)應(yīng)的縱向變形也有顯著地增加,表明無(wú)論使用涂抹ECC,還是噴射ECC，與BFRP編織網(wǎng)復(fù)合加固均可有效地約束核心混凝土,提高了柱的承載力和變形性能．表4給出了所有試件的開(kāi)裂荷載、極限荷載及對(duì)應(yīng)的縱向位移．

2.3應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4分別給出了FRE1和FRE2E組中試件FRE1-1和FRE2E-1的編織網(wǎng)及ECC應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖．從圖中可知,當(dāng)軸向壓應(yīng)力小于15 MPa時(shí),編織網(wǎng)和ECC的環(huán)向應(yīng)變均較?。?dāng)軸向壓應(yīng)力約為33 MPa(縱筋受壓屈服)時(shí),環(huán)向應(yīng)變迅速增加．在整個(gè)受力過(guò)程中,試件FRE2E-1中BFRP編織網(wǎng)與ECC的環(huán)向應(yīng)變差值始終較小,表明BFRP編織網(wǎng)與ECC沒(méi)有相對(duì)滑移,共同工作性能較好．在軸向壓應(yīng)力為15 MPa時(shí)試件FRE1-1中編織網(wǎng)與ECC環(huán)向應(yīng)變差值逐漸增大．縱筋屈服時(shí),兩者環(huán)向應(yīng)變的差值達(dá)到4.1×10-3,表明2種材料之間出現(xiàn)明顯的滑移,界面黏結(jié)性能較差．

圖4　ECC和Textile環(huán)向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試件名稱(chēng)試驗(yàn)值數(shù)值模擬值開(kāi)裂荷載Pcr,e/kN極限荷載Pu,e/kN開(kāi)裂位移fcr,e/mm極限位移fu,e/mm開(kāi)裂荷載Pcr,p/kN極限荷載Pu,p/kN開(kāi)裂位移fcr,p/mm極限位移fu,p/mmPcr,p/Pcr,ePu,p/Pu,eRC-1545.0780.00.891.27RC-2526.1735.30.731.27RC-3572.5842.10.681.18469.1469.1469.1848.2848.2848.20.490.490.491.441.441.440.861.090.891.150.821.01FRE1-1743.61074.41.052.14FRE1-2728.71052.91.032.20FRE1-3761.21100.81.072.18932.9932.9932.91185.81185.81185.81.151.151.153.603.603.601.251.101.281.131.231.08FRSE1-1950.31272.91.212.06FRSE1-2917.11310.91.112.24FRSE1-3921.71249.61.092.06945.5945.5945.51243.61243.61243.61.161.161.165.755.755.750.990.981.030.951.031.00FRE1E-1983.01134.61.22.24FRE1E-2943.71116.71.152.15FRE1E-3881.31157.31.032.30932.9932.9932.91185.81185.81185.81.151.151.153.603.603.600.951.050.991.061.061.02FRE2E-1952.51169.71.172.45FRE2E-2933.41150.21.072.28FRE2E-3971.51193.11.012.40939.5939.5939.51218.81218.81218.81.151.151.153.683.683.680.991.041.011.060.971.02FRE3E-11013.71222.21.132.39FRE3E-21055.81219.31.082.45FRE3E-31034.01246.60.922.26944.8944.8944.81251.61251.61251.61.151.151.153.783.783.780.931.020.891.030.911.00平均值1.0041.044標(biāo)準(zhǔn)差0.1310.052

圖5給出了部分試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖．由于加固試件復(fù)合層厚度為30 mm,其表面縱向應(yīng)變難以真實(shí)反映柱本身的縱向變形,因此圖中采用縱筋受壓應(yīng)變來(lái)反映加固柱的縱向變形．可以看出,當(dāng)ECC開(kāi)裂(應(yīng)變?yōu)?.0×10-3左右)時(shí),FRE1E-1～FRE3E-1的應(yīng)力明顯大于FRE1-1,表明經(jīng)過(guò)處理的BFRP編織網(wǎng)形成的復(fù)合層對(duì)核心混凝土的約束效果更明顯．ECC開(kāi)裂后,試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率逐漸變緩．當(dāng)縱筋屈服后,柱軸向壓應(yīng)力基本不再提高,由于復(fù)合層仍能提供有效側(cè)向約束,試件應(yīng)變迅速增大．相對(duì)于對(duì)比柱RC,縱筋極限壓應(yīng)變及柱表面環(huán)向應(yīng)變均得到較大程度的提高,復(fù)合加固層有效地提高了柱的變形能力．

圖5　應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

3　有限元數(shù)值模擬

目前,一些學(xué)者已針對(duì)FRP布加固RC柱的力學(xué)性能及數(shù)值模擬進(jìn)行了研究[13-14]．本文利用非線性有限元分析軟件ABAQUS,在不考慮編織網(wǎng)與ECC間的界面滑移條件下,建立有限元分析模型(見(jiàn)圖6)．混凝土和ECC采用實(shí)體單元,鋼筋及BFRP編織網(wǎng)采用桿單元．混凝土單向受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[15]給出的模型．ECC受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用應(yīng)變硬化模型[10].圖7中，σcr，εcr和σcu,εcu分別為ECC的開(kāi)裂應(yīng)力、應(yīng)變和極限應(yīng)力、應(yīng)變．BFRP編織網(wǎng)的受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性關(guān)系．各材料的力學(xué)性能指標(biāo)均采用試驗(yàn)實(shí)測(cè)值,如表3所示．約束柱體底部3個(gè)方向位移采用位移加載控制,采用隱式分析方法進(jìn)行計(jì)算．

圖6　數(shù)值分析模型

圖7　ECC應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8給出了加固試件FRE1E-1的破壞形態(tài)對(duì)比圖．由圖可知,模擬柱的最終破壞形態(tài)與觀測(cè)到的破壞模式相近:加固層的破壞區(qū)域主要集中在柱的中部附近,裂縫開(kāi)展方向與試件中心夾角約為45°,內(nèi)部編織網(wǎng)的環(huán)向應(yīng)力在破壞時(shí)達(dá)到相應(yīng)材料的極限抗拉強(qiáng)度．

圖8　FRE1E-1試件破壞形態(tài)對(duì)比圖

表4給出了模擬值與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果．從中可以看出,加固柱的軸向位移模擬值均大于相應(yīng)的試驗(yàn)值,其原因在于:有限元模型中ECC假定為均質(zhì)受拉材料,實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度具有一定的離散性;編織網(wǎng)發(fā)生斷裂時(shí),試件隨即破壞,而模擬中從編織網(wǎng)斷裂到試件破壞有一定的過(guò)程．模擬的荷載值與試驗(yàn)值吻合較好:開(kāi)裂荷載模擬值與試驗(yàn)值比值的平均值為1.004,標(biāo)準(zhǔn)差為0.131;極限荷載模擬值與試驗(yàn)值比值的平均值為1.044,標(biāo)準(zhǔn)差為0.052．

圖5給出了應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線比較．從圖中可以看出,模擬的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖5中FEM)與試驗(yàn)曲線的總體趨勢(shì)一致:受壓鋼筋屈服之前,復(fù)合加固層對(duì)核心鋼筋混凝土柱的約束作用較強(qiáng),應(yīng)變較?。S著ECC不斷出現(xiàn)裂縫直至受壓鋼筋屈服,復(fù)合加固層對(duì)核心混凝土的約束作用逐漸下降,應(yīng)變逐漸增大,直至BFRP編織網(wǎng)斷裂．

4　結(jié)論

1) 經(jīng)過(guò)表面黏砂處理后,增強(qiáng)了BFRP編織網(wǎng)與ECC的界面黏結(jié)性能,改善了兩者的共同工作性能;

2) 無(wú)論是涂抹ECC,還是噴射ECC，與BFRP編織網(wǎng)形成的復(fù)合加固層均可以有效地對(duì)核心混凝土柱提供側(cè)向約束,從而增加了加固柱的縱向剛度,延緩了縱筋的屈服,提高了核心鋼筋混凝土柱的承載力和變形能力;

3) 有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)研究結(jié)果吻合良好,表明利用本文建立的有限元模型可以有效地模擬對(duì)加固柱的受力性能．

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Experimental study on mechanical behaviour of circular reinforced concrete columns strengthened with FRP textile and ECC

Zhu Zhongfeng Wang Wenwei

(School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Considering the cured surface and layers of fiber reinforced polymer (FRP) textile and construction technology of engineered cementitious composite (ECC), the static axial compressive experiment on circular reinforced concrete (RC) columns strengthened with FRP textile and ECC was carried out to study the loading and deformation capacities of RC column. Based on experimental results, the numerical analysis model was established using the finite element software. Experimental results show that all strengthened RC columns fail by the rupture of BFRP textile, the ultimate compressive strength and deformation capacity of confined RC columns are enhanced with the reinforced layer of FRP textile increasing. After surface treatment, the bonding behavior and the compatibility of FRP textile and ECC interface are significantly improved. Besides, the composite strengthened layer combined with both smeared and sprayed ECC strengthening and FRP textile can provide effective lateral confining stress to the strengthened RC columns and delay the yielding of longitudinal reinforced steel rebar. The analytical results show that the ultimate compressive strength and the deformation capacity of the strengthened RC columns can be predicted by using the nonlinear finite element model.

fiber reinforced polymer(FRP) textile; engineered cementitious composite(ECC); strengthening; numerical analysis

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.031

2016-03-01.作者簡(jiǎn)介: 朱忠鋒(1987—)，男，博士生；王文煒(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，wangwenwei@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578135，51278441).

TU375.3

A

1001-0505(2016)05-1082-06

引用本文: 朱忠鋒,王文煒.FRP編織網(wǎng)/ECC復(fù)合加固鋼筋混凝土圓柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(5):1082-1087. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.031.