纖維纏繞角度對復(fù)材纏繞管的軸向抗壓性能影響分析

彭 旭,楊 森,鄒 毅,周龍華,黃奕森,黃旖珩,謝 攀

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510642)

1 引 言

橋梁墩柱的施工條件及受力狀況與上部結(jié)構(gòu)不同,跨海橋梁由于特殊的海洋環(huán)境,墩柱結(jié)構(gòu)極易被腐蝕,受到破壞后難以修復(fù)。然而,海洋是嚴(yán)酷的自然腐蝕環(huán)境之一,海洋工程結(jié)構(gòu)要遭受海水、海洋大氣或更為嚴(yán)酷的飛濺區(qū)、潮差區(qū)的腐蝕。傳統(tǒng)的建筑材料在海洋環(huán)境中極易腐蝕,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國約有24%的東南沿海公路橋梁產(chǎn)生了鋼筋銹蝕與銹脹裂縫[1],我國每年因鋼材銹蝕導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失超過國民生產(chǎn)總值的3%。因此,對于墩柱的材料選取極為重要。新型纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(Fiber-reinforced resin matrix composites)因其比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在橋梁建設(shè)等工程中。由于新型復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)與混凝土相近,使得FRP約束混凝土?xí)r,混凝土處于多向受壓狀態(tài)。從而提高了其約束混凝土的強(qiáng)度等力學(xué)性能。故FRP包裹的混凝土組合柱構(gòu)件能滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、輕質(zhì)高強(qiáng)以及在惡劣條件下工作的需要,同時(shí)也能滿足現(xiàn)代建筑施工工業(yè)化發(fā)展的要求[2-4]。

目前對FRP混凝土組合柱構(gòu)件的研究仍然存在不嚴(yán)謹(jǐn)或不完全適用之處,如構(gòu)件中的FRP通常被認(rèn)為處于單軸應(yīng)力狀態(tài)(即環(huán)向拉力),特別是當(dāng)纖維取向接近環(huán)向時(shí)[5]。然而實(shí)際復(fù)合材料組合構(gòu)件中,FRP管應(yīng)該是受到雙軸應(yīng)力(環(huán)向拉力和軸向壓力)。因此需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)來測定,并且測定方式的準(zhǔn)確性也需要進(jìn)行深入研究。由于其纖維以接近環(huán)向布置為主,所以復(fù)材管在軸向壓縮下,表現(xiàn)出明顯的非線性。因此,對于復(fù)材管在土木工程的應(yīng)用研究和實(shí)踐而言,準(zhǔn)確測定復(fù)材管的軸向壓縮性能,包括軸向壓縮線性參數(shù)(軸向壓縮強(qiáng)度、軸向壓縮彈性模量和泊松比)和考慮非線性的參數(shù)具有重要的意義。在測量復(fù)合材料壓縮性能的試驗(yàn)方法中,除了傳統(tǒng)的直條形片材壓縮試驗(yàn)[6-7]外,各國學(xué)者也提出了許多不同的試驗(yàn)方法。如為了消除邊界效應(yīng)、試樣弧形等不利影響,在測定復(fù)材管軸向壓縮性能時(shí)直接采用完整的管段作為試樣[8-9]。但是現(xiàn)有的這些方法在實(shí)際工程應(yīng)用中都存在著一定的局限性,如難以適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的纖維纏繞管管徑的波動以及壁厚的變化,且試驗(yàn)裝置難以重復(fù)利用等。為此,在一些學(xué)者[10-15]的研究基礎(chǔ)上,參考各個(gè)國家和地區(qū)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),總結(jié)經(jīng)驗(yàn),利用一種新型簡易的測量復(fù)材管軸向壓縮性能的試驗(yàn)裝置[16],分析纖維纏繞角為45°、60°和80°的玻璃纖維復(fù)合材料管在軸向受壓情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù),探索強(qiáng)度性能更好的FRP混凝土組合柱構(gòu)件。

項(xiàng)目依托廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“基于海洋環(huán)境下的復(fù)材混凝土新型組合墩柱力學(xué)性能的研究”,以GFRP空管為對象開展試驗(yàn),旨在研究其軸壓狀態(tài)下的力學(xué)性能和破壞形態(tài),掌握不同纖維纏繞角度對構(gòu)件軸向抗壓性能的影響。研究不同纖維纏繞角度對復(fù)材纏繞管的軸向抗壓性能的影響更加貼合實(shí)際應(yīng)用需求?？梢詾楹Ｑ蟓h(huán)境下的橋梁工程提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用的是連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司提供的玻璃纖維復(fù)合材料(Glass FRP,GFRP)纏繞管,其中樹脂選材為鄰苯樹脂。該玻璃纖維復(fù)合材料管管身輕而硬,不導(dǎo)電,性能穩(wěn)定,機(jī)械強(qiáng)度高且耐腐蝕。試驗(yàn)制作了3組試件,每組3個(gè),共9個(gè)玻璃纖維復(fù)合材料纏繞管。纖維纏繞角分別為45°、60°和80°。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)報(bào)告,各試件的名義直徑為150 mm、名義壁厚為 3 mm、高度為150 mm。試件需經(jīng)過外觀檢查,如有缺陷或不符合尺寸及制備要求的試件,應(yīng)作廢處理。將合格試件進(jìn)行編號,并測量試件尺寸。分別測量試件的內(nèi)徑及試件的厚度。在試件兩個(gè)端面上,分別測量相互垂直兩個(gè)方向上的內(nèi)徑,取其平均值作為平均內(nèi)徑。在試樣任一端面的8個(gè)等間隔處測量壁厚,舍棄其中最大值和最小值,取其余各點(diǎn)的平均值為平均壁厚,試件的壁厚為兩個(gè)端面平均壁厚的平均值。實(shí)際測量試件的具體尺寸參數(shù)如表1所示。為避免試件在加載時(shí)因應(yīng)力集中而在端部率先發(fā)生破壞,在所有試件兩端外壁均粘貼纏繞1層寬度為25 mm的碳纖維布,使用高強(qiáng)石膏對試件兩個(gè)端面進(jìn)行找平,放置陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干后對試樣進(jìn)行打磨處理,修除管壁上的膠瘤或突起等。

表1 試件尺寸

2.2 試驗(yàn)裝置

每個(gè)試件在其高度一半的位置沿環(huán)向均勻粘貼四個(gè)環(huán)向電阻應(yīng)變片和四個(gè)縱向電阻應(yīng)變片,分別用于測量試件的環(huán)向應(yīng)變和軸壓應(yīng)變,應(yīng)變片長度均為20 mm。

試驗(yàn)參考“測量結(jié)構(gòu)工程用復(fù)合材料管軸向壓縮性能的試驗(yàn)裝置”[16],設(shè)計(jì)了專門的端板裝置來嵌固試件的端部。將試樣的上端套入上端板中心的圓柱形凸起中,并初步對中,確保加載過程中復(fù)材管均勻?qū)ΨQ受壓。安裝時(shí)將管狀試件的端部嵌入端板的凹槽并填充高強(qiáng)度石膏來加固試樣的端部,待凹槽內(nèi)的高強(qiáng)度石膏硬化后,倒轉(zhuǎn)試樣,進(jìn)行下端板的嵌套,方法同上端板。端板的凹槽具有一定的調(diào)節(jié)度,可適應(yīng)復(fù)材管管徑和壁厚的波動。

利用MTS材料試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行空復(fù)材管試件的軸向壓縮試驗(yàn)。通過調(diào)整試件在試驗(yàn)機(jī)加載板上的位置來確保試件處于軸向壓縮的受力狀態(tài)。由電腦控制試驗(yàn)加載,并全程采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)加載模式為位移控制,對試樣均勻加載,加載速率為0.6 mm/min,且加載過程保證上、下端板平行,勻速加載直至試件破壞。為保證試樣的軸向壓縮,在正式加載開始前需對試樣進(jìn)行對中調(diào)試。將試樣初步加載至軸向應(yīng)變達(dá)到0.000 2左右,判斷對稱布置軸向電阻應(yīng)變片的軸向應(yīng)變誤差值不大于兩者平均值的10%,即滿足試樣對中的要求。否則需調(diào)整試樣的位置直至滿足對中要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

三種不同纖維纏繞角度的玻璃纖維復(fù)材管在軸向壓縮作用下,表現(xiàn)出不同的試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形態(tài)。

加載初期,通過分析電腦采集到的軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)可知,試件處于軸向?qū)χ袪顟B(tài),試件除了發(fā)生軸向壓縮變形和輕微的側(cè)向膨脹外,并無其他明顯現(xiàn)象。

纖維纏繞角為45°的試件的破壞并不是在最終突然發(fā)生,在軸壓應(yīng)力50～58 MPa之間,會發(fā)生明顯的膠層開裂,出現(xiàn)裂縫但不明顯,隨著軸向荷載的增加,試件出現(xiàn)明顯的白色裂紋并逐漸由中部向四周擴(kuò)散,是發(fā)展得較為緩慢的一個(gè)持續(xù)過程。而在中后期,纖維層與層之間發(fā)生較大面積的剝離,在管中部呈現(xiàn)出非常明顯的白色。最終破壞面不太明顯,與纖維纏繞方向平行。

纖維纏繞角為60°的試件,纖維層與層之間的剝離現(xiàn)象相對較輕,隨著荷載的增加,復(fù)材管表面沿著纖維纏繞方向出現(xiàn)白斑,但不太集中。最后沿纖維纏繞方向的纖維斷裂面非常明顯。

而對于纖維纏繞角為80°的試件,由于纖維趨于環(huán)向纏繞,纖維層與層之間的剝離現(xiàn)象不明顯,所以加載過程中復(fù)材管表面沿著纖維纏繞方向的白斑不是特別明顯,破壞相對突然,最終的破壞面接近于水平方向。

所有的試件在壓縮過程中,均可聽到噼啪的纖維斷裂聲,在破環(huán)時(shí)均伴隨著爆裂聲。

3.2 試驗(yàn)曲線

根據(jù)試驗(yàn)收集到的數(shù)據(jù),分別繪制纏繞角為45°、60°和80°的各組試件的軸壓應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線和軸向應(yīng)變-環(huán)向應(yīng)變曲線,如圖1、圖2所示。其中,軸向壓縮應(yīng)力為軸壓荷載與空管橫截面積的比值,而軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變分別取4個(gè)軸向電阻應(yīng)變片和4個(gè)環(huán)向電阻應(yīng)變片讀數(shù)的平均值。可以注意到,有些試件的破壞軸向應(yīng)變較小,例如F45-2、F60-1、F80-2,原因是其對應(yīng)試件離散水平較大,試件瞬間破壞。

圖1 試件的軸壓應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

圖2 試件的環(huán)向應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線

3.3 主要試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,通過公式(1)、公式(2)計(jì)算得出不同纖維纏繞角度試件的軸向壓縮彈性模量和泊松比,如表2所示。其中,軸向壓縮彈性模量和泊松比的計(jì)算結(jié)果均是取用平均軸向應(yīng)變?yōu)?.002～0.003之間線性段的數(shù)據(jù),并根據(jù)有關(guān)規(guī)范說明進(jìn)行計(jì)算得出。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)

式中:Ex,c為試件軸向壓縮彈性模量,MPa;x僅代表軸向,無任何數(shù)學(xué)意義;c僅代表壓縮狀態(tài),無任何數(shù)學(xué)意義;ΔF為試件在彈性階段荷載增量,N;d為試件實(shí)測內(nèi)徑,mm;t為試件實(shí)測厚度,mm;Δεx為與荷載增量ΔF對應(yīng)的試件軸向應(yīng)變增量。

(2)

式中:vxθ為試件軸向壓縮泊松比;Δεθ為與荷載增量ΔF對應(yīng)的試件環(huán)向應(yīng)變增量;θ僅代表環(huán)向,無任何數(shù)學(xué)意義。

從表2中可以看到,45°纖維纏繞角試件的軸向壓縮彈性模量和泊松比最高,60°的次之,80°的最低。表明45°的延性最優(yōu)。由于80°纖維纏繞角的GFRP管試件的纖維基本趨于環(huán)向纏繞,而60°纖維纏繞角的GFRP管試件表現(xiàn)出與80°纖維纏繞角的GFRP管試件相似的軸壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系,但強(qiáng)化段的剛度明顯比80°纖維纏繞角的GFRP管試件的小。在荷載作用早期,環(huán)向應(yīng)變較小,荷載對GFRP管試件的作用不明顯,所有角度的GFRP管試件的應(yīng)變曲線基本一致。但隨著荷載的增加,軸壓應(yīng)力-軸向應(yīng)變的曲率都變小,但是軸向應(yīng)變的增長變快,GFRP管的環(huán)向應(yīng)變增大。其中45°纖維纏繞角的GFRP管試件的環(huán)向應(yīng)變增長幅度最大,60°的次之,80°的最低。

4 結(jié) 論

對45°、60°和80°三種不同纖維纏繞角度的復(fù)材管進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn),通過對比三種不同纖維纏繞角度的復(fù)材管在軸向壓縮作用下的破壞形態(tài)及分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的結(jié)果,評估纖維纏繞角度對復(fù)材管軸向抗壓性能的影響,可以為探索強(qiáng)度性能更好的FRP混凝土組合柱構(gòu)件提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐,并為海洋環(huán)境下的橋梁工程尤其是墩柱部分有關(guān)材料的選取提供參考。試驗(yàn)得到以下主要結(jié)論。

(1)玻璃纖維復(fù)材管在軸向壓縮作用下,隨著荷載的增加會逐漸產(chǎn)生輕微的側(cè)向膨脹,外壁會先出現(xiàn)白斑并沿著纏繞角方向不斷延展,當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),復(fù)材管會突然發(fā)生破壞并發(fā)出巨響,破壞面與纖維纏繞角度平行。

(2)用專門設(shè)計(jì)的復(fù)材管軸向壓縮裝置可以較為準(zhǔn)確地測量出復(fù)材管軸向壓縮彈性模量和泊松比等軸向壓縮參數(shù)。

(3)復(fù)材管軸壓試驗(yàn)結(jié)果顯示:隨著纖維纏繞角的變小,復(fù)材管表現(xiàn)出更大的軸向壓縮彈性模量和泊松比。