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    BFRP螺旋條帶內(nèi)約束海水海砂混凝土圓柱的軸壓性能

    2022-07-08 03:13:38鄭宏宇郁宇琪許迪鑫黃志勇江懷雁陶丹
    關(guān)鍵詞:海砂縱筋保護(hù)層

    鄭宏宇 郁宇琪 許迪鑫 黃志勇 江懷雁 陶丹

    (1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004;3.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系,廣西 南寧,530007;4.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,廣西 南寧 530023)

    海水海砂混凝土的力學(xué)性能與傳統(tǒng)普通混凝土相近,僅在軟化段、變形性能上略有差異[1- 2]。在島礁或沿海地區(qū),直接使用原生海砂和海水拌養(yǎng)混凝土(即海水海砂混凝土)進(jìn)行建設(shè),可就地取材,節(jié)約建設(shè)成本,緩解河砂枯竭、淡水匱乏的供需矛盾。但海水海砂混凝土中的氯離子對普通鋼材有腐蝕作用,會降低結(jié)構(gòu)的耐久性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)具有抗酸堿腐蝕性能優(yōu)良、輕質(zhì)高強(qiáng)等特點(diǎn)[3- 6],國內(nèi)外諸多研究均證實(shí)其與海洋集料混凝土組合應(yīng)用具有可行性[7- 8],因此用FRP代替普通鋼筋,可較好地解決耐久性的問題,取得良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能效益,具有積極的工程應(yīng)用價值,用于島礁建設(shè)還具有重要的戰(zhàn)略意義。

    采用FRP筋作為混凝土受壓柱的縱向增強(qiáng)筋時,由于FRP筋為線彈性材料,破壞偏脆性,除部分CFRP筋外,F(xiàn)RP筋的彈性模量普遍低于鋼材,因此當(dāng)配筋率相同時,F(xiàn)RP筋的增強(qiáng)效果弱于鋼筋,特別是作為受壓縱筋使用時。相比于RC柱,F(xiàn)RP筋混凝土柱更容易發(fā)生以核心混凝土壓碎或縱筋受壓屈曲為特征的破壞[9]。但Mohamed等[10]發(fā)現(xiàn),在FRP螺旋或環(huán)箍約束下,縱向FRP筋屈曲延緩,且在峰值荷載后核心混凝土仍可被良好約束,GFRP和GFRP-RC柱軸壓力學(xué)性能與普通鋼筋混凝土柱差別不大[11]。Afifi、鄧宗才、Hadi等[12- 14]對GFRP螺旋箍筋柱的研究表明,配箍率不變時,減小箍筋直徑和間距可提高柱的延性;減小箍筋間距或改變箍筋形式均可增強(qiáng)箍筋對縱筋和核心混凝土的約束能力,從而改善混凝土柱的力學(xué)性能。

    目前,F(xiàn)RP約束混凝土受壓構(gòu)件以外包FRP纖維布或FRP管、內(nèi)繞FRP箍筋等為主要約束形式。但是,因FRP耐火性能較弱,所以外包FRP的結(jié)構(gòu)的抗火能力不強(qiáng)[15];對于長期暴露于室外紫外線較強(qiáng)環(huán)境中的柱子,F(xiàn)RP的力學(xué)性能也會發(fā)生退化[16];外包FRP對柱子外觀和裝飾性也有所制約;另外,F(xiàn)RP箍筋需由廠家預(yù)先彎制,無法現(xiàn)場制作。因此,本研究提出一種可現(xiàn)場制作的BFRP螺旋條帶被動約束和BFRP縱筋增強(qiáng)且?guī)ПWo(hù)層的海水海砂混凝土圓形截面柱。

    該柱采用多層FRP布制作連續(xù)螺旋條帶,利用間隔分布的條帶保留混凝土保護(hù)層,這既能保證柱子的耐火性能,又保留了柱子的可裝飾性[17];有別于在已硬化混凝土外表纏繞FRP條帶的約束方式,條帶和縱筋作為骨架先置于混凝土內(nèi)部,利用流塑態(tài)混凝土的壓脹力,使BFRP條帶緊縛內(nèi)部核心混凝土;與FRP螺旋箍筋相比,F(xiàn)RP條帶柔軟,通過浸漬環(huán)氧樹脂多層纏繞于縱筋外表,施工現(xiàn)場能夠按需制作,不需要工廠預(yù)先彎制,可降低制作成本,且約束能力便于調(diào)控。因此該類型柱具有較好的發(fā)展?jié)摿?,但目前尚缺少關(guān)于此類帶混凝土保護(hù)層、BFRP螺旋條帶內(nèi)部被動間隔約束海水海砂混凝土柱受力性能的研究;有鑒于此,本研究對其進(jìn)行軸壓性能測試,觀測其破壞過程和破壞特征,研究主要設(shè)計(jì)參數(shù)對試件軸壓性能的影響,并推導(dǎo)其承載力的預(yù)測表達(dá)式。

    1 試驗(yàn)

    1.1 試件設(shè)計(jì)

    以BFRP縱筋配筋率和BFRP條帶寬度、間距為變化參數(shù),共制作7個BFRP螺旋條帶約束-BFRP縱筋增強(qiáng)海水海砂混凝土圓柱試件和1個近乎無BFRP條帶約束[18]的對照試件(C- 3.63- 40- 170- 1),試件編號規(guī)則為C-ρ-w-s-n,其中ρ、w、s、n分別表示縱向BFRP筋的配筋率和BFRP條帶寬度、間距及層數(shù);BFRP螺旋條帶內(nèi)約束混凝土圓柱構(gòu)造示意圖如圖1所示。所有試件的直徑D為193 mm,柱高H為600 mm,柱兩端的混凝土保護(hù)層厚度為25 mm,縱筋外側(cè)保護(hù)層厚度為21.5 mm。參考相關(guān)文獻(xiàn)[12- 14]的約束指標(biāo)取值確定條帶設(shè)計(jì)參數(shù),同時,條帶寬度w取可定制的最小寬度,條帶凈間距選為粗骨料粒徑的若干倍,以保證試件澆筑密實(shí),具體參數(shù)見表1。

    圖1 BFRP螺旋條帶內(nèi)約束混凝土圓柱構(gòu)造示意圖

    表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

    1.2 材料屬性

    1.2.1 人工海水配制

    試件混凝土采用人工海水拌制。人工海水參考美國規(guī)程ASTM D1141—98(2013)[19]配制,主要化學(xué)成分見表2。

    表2 人工模擬海水化合物組成

    1.2.2 材性測試

    考慮部分珊瑚礁需要保護(hù),粗骨料可由海島富余山體巖石破碎或從鄰近大陸海運(yùn)獲得,故試件采用普通花崗巖碎石作為粗骨料,其基本物理參數(shù)如表3所示。細(xì)骨料采用廣西北海市合浦縣的天然海砂,細(xì)度模數(shù)3.0、含水率5.3%、含泥量5.5%。

    表3 花崗巖碎石物理參數(shù)

    海水海砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]在武漢中科科創(chuàng)工程檢測有限公司生產(chǎn)的巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)RMT- 301上測得,測試結(jié)果均取平均值。海水海砂混凝土的配合比及力學(xué)性能參數(shù)如表4、表5所示。

    表4 海水海砂混凝土配合比

    表5 海水海砂混凝土基本力學(xué)性能

    BFRP筋受壓力學(xué)性能與BFRP條帶受拉力學(xué)性能均在上海華龍測試儀器股份有限公司制造的WAW- 600型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上測試。BFRP筋測試按GB/T 1448—3005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》[21]執(zhí)行,壓縮試件及加載設(shè)備如圖2所示。BFRP筋受壓的破壞形態(tài)如圖3所示,分為剪切破壞、劈裂破壞以及兩者兼有的混合破壞,三者的受壓性能實(shí)測值差異不大,故測試結(jié)果取平均值,結(jié)果如表6所示。BFRP條帶受拉性能按《Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials》[22]進(jìn)行測試,試件如圖4(a)所示,破壞形態(tài)如圖4(b)所示,均為全截面拉斷破壞;測試結(jié)果取平均值,基本力學(xué)性能參數(shù)如表7所示。

    圖2 BFRP筋壓縮試件及加載設(shè)備

    圖3 BFRP筋受壓破壞形態(tài)

    表6 BFRP筋受壓力學(xué)性能

    (a)BFRP條帶試件

    (b)破壞形態(tài)

    表7 BFRP條帶受拉力學(xué)性能

    1.3 試件加工制作

    試件制作基本步驟為:用細(xì)鐵圈綁扎、固定BFRP縱筋,再將BFRP條帶貼著縱筋外表面螺旋纏繞,條帶兩端額外水平纏繞一圈并搭接150 mm錨固,條帶與筋之間用快粘膠臨時固定,形成BFRP螺旋條帶-BFRP縱筋骨架,如圖5(a)所示;粘貼應(yīng)變片后,為恢復(fù)條帶表面與混凝土的粘結(jié)力,先用毛刷刷涂浸漬環(huán)氧樹脂于條帶表面,再均勻撒上中砂,同時固化條帶,如圖5(b)所示;采用外徑200 mm、壁厚3.5 mm的PVC管作為試件的模板,管底部置于木板上,用環(huán)氧樹脂將兩者粘牢,固定密封,再將BFRP縱筋-條帶骨架居中放入PVC管內(nèi),采用分層振搗的方式澆筑試件,如圖5(c)所示。實(shí)際澆筑難度和速度與常規(guī)鋼筋混凝土柱相當(dāng)。

    (a)BFRP螺旋條帶-BFRP縱筋骨架

    1.4 測量方案

    試驗(yàn)觀測和量測的內(nèi)容:①試件破壞過程及破壞形態(tài);②試件開裂荷載;③試件兩端相對軸向位移;④BFRP筋壓應(yīng)變;⑤BFRP條帶拉應(yīng)變;⑥混凝土表面縱環(huán)向應(yīng)變。荷載和位移數(shù)據(jù)分別由YBY- 2000 kN型荷載傳感器和YWC- 30型位移計(jì)采集,應(yīng)變數(shù)據(jù)由江蘇東華DH3812數(shù)據(jù)采集儀自動采集,采集頻率為2 Hz。

    在試件中部附近的BFRP螺旋條帶上每隔90°粘貼一只電阻應(yīng)變計(jì),用于測量BFRP條帶應(yīng)變;在試件中部相鄰條帶之間的BFRP縱筋上每隔90°粘貼一只電阻應(yīng)變計(jì),用于測量BFRP縱筋的應(yīng)變。應(yīng)變計(jì)具體布置如圖6所示;混凝土應(yīng)變計(jì)主要布置在H/2截面處,用于測量加載過程中混凝土保護(hù)層表面的縱、環(huán)向應(yīng)變,具體布置如圖7所示。

    圖6 縱筋及螺旋條帶應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

    圖7 混凝土應(yīng)變測點(diǎn)布置(單位:mm)

    1.5 加載方案

    采用中國濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司制造的YAW- 10000J型微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行軸心受壓性能測試。為防止端部局部受壓破壞,試件兩端外包4層100 mm寬的BFRP布進(jìn)行加強(qiáng),并在兩端設(shè)置不小于30 mm厚的鋼墊板,如圖8所示。先將力傳感器正對試件截面幾何形心,以5 kN/s的速率進(jìn)行預(yù)加載,加載至估算承載力的20%后卸載;預(yù)加載時觀測兩側(cè)對稱布置的位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù),反復(fù)調(diào)整力傳感器位置,直到兩側(cè)位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)數(shù)值相近且等幅變化、完全對中為止;正式加載采用位移控制,速率為0.5 mm/min,直至試件承載力下降到峰值的80%以下。

    圖8 加載及位移測量裝置

    2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

    2.1 破壞過程及破壞形態(tài)

    經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),各試件的破壞過程相似:當(dāng)荷載升至峰值荷載的80%左右時,在試件混凝土中部表面出現(xiàn)首條肉眼可見的縱向裂縫;隨著荷載增加,柱中各方位也陸續(xù)出現(xiàn)縱向裂縫,并逐漸延伸、分叉、變寬;當(dāng)荷載增至峰值荷載的90%以上時,伴隨著多次清脆的響聲,柱中段混凝土保護(hù)層局部開始剝落;荷載繼續(xù)增大至峰值、進(jìn)而下降的過程中,試件中段膨脹明顯,混凝土保護(hù)層突然大片崩裂、剝落,試件承載力迅速降低。

    試件均是中段損傷最為嚴(yán)重,條帶斷裂的部位混凝土保護(hù)層剝落也較多;與無約束對照試件相比,BFRP螺旋條帶約束短柱試件的破壞范圍總體較小。各試件的最終破壞形態(tài)如圖9所示。

    試件破壞后,觀測剝離破損的混凝土保護(hù)層可以發(fā)現(xiàn):BFRP條帶多處發(fā)生斷裂,斷裂的位置與混凝土保護(hù)層剝落位置基本一致,如圖10(a)所示;BFRP螺旋條帶斷裂后,對縱筋的側(cè)向約束作用喪失,縱筋在軸向荷載與核心混凝土橫向泊松變形的共同作用下發(fā)生屈曲破壞,如圖10(b)所示。

    圖10 BFRP條帶及縱筋的破壞模式

    2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

    2.2.1 抗壓承載力

    各試件的抗壓承載力實(shí)測值如表8所示。根據(jù)表8可知:試件的抗壓承載力隨縱筋配筋率的增大而有所提高,配筋率由1.37%增大到2.15%、3.63%時,提高率分別為3.09%、15.51%;增大BFRP條帶寬度或減小BFRP條帶間距,均能增大單位柱高條帶對核心混凝土及BFRP縱筋的約束程度(以約束效應(yīng)系數(shù)ξ表征),從而提高試件的抗壓承載力。

    表8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

    2.2.2 荷載-軸向位移曲線

    各試件的荷載-軸向位移曲線如圖11所示。由圖11可以看出,各試件的荷載-軸向位移曲線形態(tài)相似,大致分為3個階段:①彈性階段,該階段荷載較小,BFRP條帶尚未發(fā)揮約束作用,BFRP縱筋與混凝土協(xié)同變形,曲線近似呈直線;②彈塑性階段,隨著荷載繼續(xù)增大,保護(hù)層混凝土逐漸開裂、剝落,混凝土內(nèi)部裂縫向外延伸,試件的縱向變形發(fā)展加快,剛度有所下降,同時隨著核心混凝土橫向泊松變形的發(fā)展,BFRP條帶的約束作用開始顯現(xiàn);③軟化階段,荷載達(dá)到峰值后,核心混凝土損傷嚴(yán)重,其橫向泊松變形超越了條帶的約束能力,條帶局部發(fā)生斷裂,斷裂處的混凝土出現(xiàn)剪切滑動面,同時,BFRP縱筋失去條帶的側(cè)向約束,在豎向壓力和核心混凝土橫向外推力的共同作用下,發(fā)生屈曲破壞,隨著核心混凝土被壓碎,試件承載力快速降低。

    由表8及圖11(a)可知,通過增大BFRP縱筋直徑提高配筋率,峰值荷載和峰值位移隨之增大,但軸壓剛度因縱筋與混凝土粘結(jié)面積的減小而有所降低;圖11(b)表明,減小BFRP條帶間距可提高短柱的軸壓承載力和軸壓剛度;圖11(c)表明,增大BFRP條帶寬度可增大柱的軸壓剛度,減小峰值位移,但對軸壓承載力基本無影響;由圖11(d)和其他試件曲線對比可知,在配筋率相同時,無約束短柱試件的峰值位移、極限位移和峰值荷載均小于條帶約束試件,說明BFRP螺旋條帶能提高試件變形能力和承載力。

    (a)不同配筋率

    2.2.3 荷載-BFRP縱筋應(yīng)變曲線

    各試件的BFRP縱筋應(yīng)變隨荷載的變化曲線如圖12所示。由圖12可看出,BFRP縱筋的極限壓應(yīng)變均出現(xiàn)在曲線的下降段,說明保護(hù)層混凝土剝落和條帶崩斷先行發(fā)生,導(dǎo)致縱筋外側(cè)喪失約束,縱筋隨后才發(fā)生屈曲破壞。

    (a)C- 1.37- 40- 70- 2

    2.2.4 荷載-BFRP條帶應(yīng)變曲線

    荷載-BFRP條帶應(yīng)變關(guān)系曲線如圖12所示。由圖12可知,在峰值荷載80%之前,混凝土橫向泊松變形較小,BFRP條帶被動約束作用尚未顯現(xiàn),BFRP條帶拉應(yīng)變增長緩慢,使得曲線呈陡峭的直線形上升;隨著核心混凝土橫向泊松變形逐漸增大,BFRP條帶約束作用開始顯現(xiàn),BFRP條帶拉應(yīng)變增長逐漸加快,曲線斜率變?。唤咏逯岛奢d時,混凝土內(nèi)部裂縫快速發(fā)展,核心混凝土橫向膨脹明顯,條帶拉應(yīng)變增長迅速,曲線趨于水平;隨著表層混凝土剝落,螺旋條帶被核心混凝土脹裂,隨即拉斷失效。

    通過柱中布置的4只條帶應(yīng)變計(jì)測得BFRP螺旋條帶的平均最大拉應(yīng)變?yōu)? 571×10-6~4 575×10-6,遠(yuǎn)低于BFRP條帶材性測試的極限拉應(yīng)變,其主要原因是:核心混凝土裂縫發(fā)展、膨脹變形具有不均勻性和隨機(jī)性,故BFRP條帶沿其寬度和長度方向受力不均,受外凸的碎裂混凝土局部擠壓作用,出現(xiàn)應(yīng)力集中處優(yōu)先裂斷;應(yīng)變計(jì)未處于條帶裂斷位置;在BFRP條帶材性單向拉伸實(shí)驗(yàn)中,條帶沿直線均勻受拉,但在柱試件中,BFRP條帶彎曲成圓弧形,除了沿環(huán)向受拉,還受到徑向的擠壓力,使得條帶的抗拉強(qiáng)度有所降低;用于固定條帶的浸漬樹脂厚度不均勻,致使各層條帶的工作協(xié)同性有所下降。

    2.2.5 荷載-混凝土應(yīng)變曲線

    荷載與混凝土保護(hù)層表面縱向、環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖12所示。由圖12可知,8個試件中,有6個試件的條帶拉應(yīng)變在軸力達(dá)到峰值荷載的70%~83%(平均為80%)之后才加速增長,曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折,斜率不斷減小,說明條帶對核心混凝土的約束作用在此時才開始顯現(xiàn)。

    試件破壞后,鑿開混凝土保護(hù)層觀察BFRP縱筋的滑移情況發(fā)現(xiàn),BFRP縱筋與核心混凝土之間無明顯滑移現(xiàn)象,因此可認(rèn)為兩者在破壞前無相對滑移,故可用BFRP縱筋的應(yīng)變近似代表核心混凝土的縱向應(yīng)變??梢钥闯?,當(dāng)軸力達(dá)到峰值荷載的70%~80%之前,多數(shù)試件的核心混凝土縱向應(yīng)變與保護(hù)層混凝土的縱向應(yīng)變同步增長,兩者的差值較小或保持不變,僅在接近峰值荷載時,兩者才呈現(xiàn)出明顯分化,且以核心混凝土的縱向應(yīng)變增長較快,內(nèi)、外混凝土變形不一致,說明此時保護(hù)層開始崩裂、剝離。

    在軸力達(dá)到峰值荷載的60%~70%前,多數(shù)試件的混凝土保護(hù)層環(huán)向應(yīng)變與條帶縱向應(yīng)變同步增長,兩者差異較小。當(dāng)軸力進(jìn)一步增大時,兩者差異才逐漸增大,說明此時混凝土保護(hù)層與BFRP條帶變形不協(xié)同,兩者開始發(fā)生脫離。

    整個加載至破壞的過程中,在同一荷載級下,BFRP縱筋和保護(hù)層混凝土的縱向應(yīng)變均大于BFRP條帶縱向應(yīng)變和保護(hù)層混凝土的環(huán)向應(yīng)變,符合泊松效應(yīng)的特征。

    2.2.6 位移延性系數(shù)

    根據(jù)文獻(xiàn)[23- 24]的方法計(jì)算得到的位移延性系數(shù)如表9所列。

    由表9可以看出,由于BFRP為線彈性材料,無屈服平臺,且斷裂延伸率較低,使名義屈服位移與極限位移較為接近,故試件延性系數(shù)總體不高。但對比圖11可知,BFRP螺旋條帶約束試件的極限位移比近似無條帶約束試件增大16.39%~130.82%,試件總體變形能力提高明顯。從加載過程看,近似無條帶約束試件的承載力下降更突然(峰值荷載時,BFRP縱筋外側(cè)保護(hù)層混凝土剝落,導(dǎo)致縱筋向外鼓),破壞前無明顯預(yù)兆。BFRP螺旋條帶約束試件在達(dá)到峰值荷載前,混凝土保護(hù)層已嚴(yán)重開裂、局部剝落,破壞前有明顯預(yù)兆,滿足規(guī)范對構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求。對比圖11(d)軸向荷載-位移曲線包圍面積所表征的耗能能力,可以發(fā)現(xiàn),BFRP螺旋條帶約束試件的耗能明顯大于近似無條帶約束試件。

    表9 試件位移延性系數(shù)計(jì)算表

    3 軸壓承載力預(yù)測方法

    3.1 基本假定

    (1)BFRP筋和BFRP條帶均為理想線彈性材料,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為直線。

    (2)海水海砂混凝土的力學(xué)性能與普通混凝土相近[1- 2],海水海砂混凝土的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上升段采用普通混凝土的通用模型,且不考慮混凝土抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

    (3)試件破壞前,BFRP筋與混凝土之間、BFRP條帶與BFRP筋之間、混凝土與BFRP條帶之間粘結(jié)良好,無相對滑移。

    (4)試件破壞前,核心混凝土橫向泊松變形均勻,條帶在短柱達(dá)到極限承載力時發(fā)生斷裂,其抗拉強(qiáng)度得到充分利用。

    (5)螺旋條帶對條帶內(nèi)、外混凝土關(guān)聯(lián)度有一定削弱作用,使得混凝土保護(hù)層在試件達(dá)到極限承載力前已嚴(yán)重開裂,局部剝落,故不考慮保護(hù)層對試件軸壓承載力的貢獻(xiàn)。

    3.2 軸壓承載力預(yù)測計(jì)算式

    可近似認(rèn)為,試件的抗壓承載力由受BFRP螺旋條帶約束海水海砂混凝土與BFRP縱筋提供的抗壓承載力疊加而成;其中,BFRP縱筋的抗壓強(qiáng)度考慮螺旋條帶約束的有利作用。

    3.2.1 BFRP縱筋對試件抗壓承載力的貢獻(xiàn)

    由前文第2.2.3節(jié)可知,在峰值荷載時,BFRP縱筋應(yīng)力為67.5~221.9 MPa(平均應(yīng)力112.6 MPa),換算成縱筋承擔(dān)的軸力為30.5~235.6 kN(平均軸力109.4 kN),約占各試件抗壓承載力的4.96%~31.63%(平均貢獻(xiàn)率15.54%),可見BFRP縱筋在BFRP螺旋條帶的側(cè)向約束下,對試件抗壓承載力的貢獻(xiàn)不宜忽略。為了提高計(jì)算精度,在承載力計(jì)算時考慮其貢獻(xiàn)。

    3.2.2 核心海水海砂混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度

    (1)

    式中,fs為BFRP條帶的抗拉強(qiáng)度,dcor為核心混凝土直徑,Afs為BFRP條帶橫截面積。

    目前主流FRP約束混凝土柱抗壓強(qiáng)度模型推導(dǎo)方法有基于已有試驗(yàn)結(jié)果通過回歸分析獲得的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蚚26- 33]及基于各種強(qiáng)度準(zhǔn)則推導(dǎo)的理論模型[34- 35]?,F(xiàn)有抗壓強(qiáng)度模型大多數(shù)是預(yù)測未損傷混凝土抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停碚摻y(tǒng)一模型較少[35]。文中BFRP螺旋條帶約束核心混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度fc,c與側(cè)向約束力fr之間的關(guān)系表達(dá)式為

    fc,c=fc+krfr

    (2)

    3.3 計(jì)算式推導(dǎo)

    試件的極限承載力為

    (3)

    結(jié)合式(1)、(2)、(3)可得

    (4)

    按體積法計(jì)算BFRP螺旋條帶約束效應(yīng)系數(shù)時,為考慮與FRP條帶螺旋纏繞角度有關(guān)的垂直效應(yīng)系數(shù)[25]及方便計(jì)算,條帶長度取圓周長,即:

    將約束效應(yīng)系數(shù)ξ代入式(4)得

    (5)

    由圖12可知,BFRP縱筋在條帶約束下屈曲推遲,能發(fā)生更大的縱向壓縮變形,抗壓強(qiáng)度更得以發(fā)揮。為考慮這一有利因素,提高計(jì)算精度,引入縱筋抗壓強(qiáng)度利用率提高系數(shù)kf,定義如下:

    (6)

    則試件的極限承載力計(jì)算公式為

    (7)

    用試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)擬合出kf與約束效應(yīng)系數(shù)ξ的關(guān)系式為

    kf=3.76ξ+1

    (8)

    達(dá)到峰值荷載時,無條帶約束的縱筋應(yīng)變與混凝土峰值應(yīng)變相近,故無約束縱筋應(yīng)變可由混凝土峰值應(yīng)變εc近似代表,即

    (9)

    結(jié)合式(7)、(8)、(9)可得

    (10)

    約束效應(yīng)系數(shù)ξ已考慮側(cè)向約束力fr大小。為便于計(jì)算,認(rèn)為抗壓強(qiáng)度模型中kr為常數(shù),將文獻(xiàn)[27- 33]強(qiáng)度模型的kr值分別代入式(10),計(jì)算出7根試驗(yàn)柱的抗壓承載力,與文中試驗(yàn)值對比,結(jié)果如圖13所示。通過計(jì)算值與試驗(yàn)值的平均比值A(chǔ)和平均絕對誤差E評價數(shù)據(jù)的離散性,A、E指標(biāo)的計(jì)算方法如下:

    (11)

    (12)

    式中,n表示有條帶約束試件的個數(shù),文中取為7。

    當(dāng)A接近于1、E接近0時,表明計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合度高。由圖13可知,當(dāng)采用Zhu等[31]建議的側(cè)壓提高系數(shù)(kr=3.366)時,計(jì)算值與試驗(yàn)值的吻合度最好。故本研究建議的承載力計(jì)算式為

    (13)

    圖13 試件的抗壓承載力計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值對比

    由圖13可知,Zhou等[28]模型均值A(chǔ)大于1,說明該模型在一定程度上高估了試件承載力,其原因在于該模型是基于預(yù)應(yīng)力FRP條帶主動約束建立的;其余模型的平均絕對誤差E均小于10%。計(jì)算公式中側(cè)壓提高系數(shù)kr取值為3.366,該取值除文獻(xiàn)[28]外最大,說明BFRP螺旋條帶在考慮提高BFRP縱筋抗壓強(qiáng)度利用率的同時還能對核心混凝土提供較好的約束作用。

    當(dāng)忽略對照試件混凝土保護(hù)層的貢獻(xiàn)時,采用文中推導(dǎo)的承載力預(yù)測計(jì)算式估算,對照試件C- 3.68- 40- 170- 1的承載力計(jì)算值僅為502.37 kN,遠(yuǎn)低于實(shí)測值674.5 kN,此時BFRP螺旋條帶對承載力的提高幅度平均可達(dá)40.30%。對照試件承載力計(jì)算值與實(shí)測值相差較大的原因是:由于對照試件的混凝土保護(hù)層在峰值荷載時突然發(fā)生剝落,保護(hù)層混凝土對實(shí)際承載力有較顯著的貢獻(xiàn),但計(jì)算式不考慮混凝土保護(hù)層對承載力的貢獻(xiàn)。

    4 結(jié)論

    (1)試件的破壞特征為保護(hù)層混凝土剝落,隨后BFRP螺旋條帶發(fā)生斷裂,核心混凝土壓碎和BFRP縱筋屈曲。對比近似無條帶約束試件,BFRP螺旋條帶約束短柱的破壞預(yù)兆更明顯。

    (2)BFRP螺旋條帶能在一定程度提高試件軸壓性能,與近似無條帶約束試件相比,BFRP螺旋條帶約束試件軸壓承載力提高0.9%~10.4%,極限位移增大16.39%~130.82%,耗能更大,位移延性系數(shù)規(guī)律不明顯。

    (3)BFRP螺旋條帶對BFRP縱筋有側(cè)向約束作用,可提高其抗壓強(qiáng)度的利用率;BFRP縱筋承擔(dān)的荷載為30.5~235.6 kN(平均值109.4 kN),對各試件抗壓承載力的貢獻(xiàn)率為4.96%~31.63%(平均貢獻(xiàn)率15.54%),故BFRP縱筋對試件軸壓承載力的貢獻(xiàn)不宜忽略。

    (4)通過增大BFRP縱筋直徑增大配筋率時,可提高構(gòu)件的軸壓承載力及其最大縱向位移,但試件剛度有所降低;減小條帶間距或增大條帶寬度,可增大其對核心混凝土和BFRP縱筋的約束作用,從而提高試件的軸壓承載力。

    (5)考慮BFRP螺旋條帶對BFRP縱筋約束帶來的抗壓強(qiáng)度利用率的提高效應(yīng),當(dāng)核心混凝土在BFRP螺旋條帶約束下的側(cè)壓提高系數(shù)kr取3.366時,本文推導(dǎo)的軸壓承載力計(jì)算式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較好,可用于預(yù)測此類構(gòu)件的軸壓承載力。

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