以水壓試驗(yàn)分析纖維纏繞角度對(duì)GFRP管力學(xué)性能的影響

周龍華,鄒 毅,楊 森,彭 旭,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

鋼筋混凝土作為性能良好的堿性建筑材料,在道路橋梁等結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。而作為橋梁墩柱結(jié)構(gòu)的主要材料,其不僅需要滿足復(fù)雜受力情況下的承載力水平要求,在耐久性方面也面臨著海洋環(huán)境的巨大挑戰(zhàn),每年由鋼筋銹蝕引起的結(jié)構(gòu)退化是影響橋梁使用年限的關(guān)鍵因素[1-2]。在海水中各種離子的作用下,混凝土中的堿性環(huán)境被打破,鋼筋表面鈍化膜的Fe2O3和Fe3O4也受到破壞,引發(fā)鋼筋銹蝕[3]。而當(dāng)鋼筋發(fā)生部分銹蝕后,形成的產(chǎn)物會(huì)與鈍化膜產(chǎn)生電位差,加劇鋼筋的化學(xué)腐蝕速度。在鋼筋銹蝕后的體積膨脹和荷載壓力共同作用下,混凝土往往會(huì)發(fā)生開裂、剝落等現(xiàn)象,甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

國(guó)內(nèi)外眾多研究表明[4-6],如果采用比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,即FRP)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行外包裹加固,則可以有效提高承重結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、延性和耐腐蝕性。在復(fù)合材料約束混凝土墩柱結(jié)構(gòu)中,復(fù)合材料起到了取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果。從力學(xué)性能方面看,FRP可以為混凝土墩柱提供環(huán)向約束力,能延緩受壓混凝土因橫向膨脹導(dǎo)致的過早破壞,從而提高核心混凝土的受壓強(qiáng)度。從耐久性方面看,FRP作為一層致密的隔水阻氣防腐材料,能減少環(huán)境因素對(duì)混凝土的侵蝕,在一定程度上起到延緩混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的作用[7]。隨著近年來國(guó)家在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的加大,橋梁工程領(lǐng)域中FRP材料的應(yīng)用潛力也不斷增大,因此深入研究FRP材料對(duì)橋梁混凝土墩柱力學(xué)性能的加固作用具有很高的工程價(jià)值和重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在工程中,常用的纖維材料有碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)、玄武纖維(BFRP)、芳綸纖維(AFRP)和混雜纖維(HFRP)[8]。試驗(yàn)中,在材料選擇上,各國(guó)學(xué)者通過對(duì)不同材質(zhì)的FRP管進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GFRP與混凝土的線膨脹系數(shù)較為接近,能在不同工作環(huán)境下與混凝土良好地粘結(jié),且GFRP對(duì)混凝土墩柱性能提升的性價(jià)比最高[9-12],故采用GFRP管進(jìn)行試驗(yàn)分析。在試件的制作方法上,FRP常用方法有纖維纏繞法、濕鋪法、拉擠法等,故采用最為常用的纖維纏繞法。在自變量選擇上,由于試驗(yàn)中多采用接近環(huán)向的角度,對(duì)其他角度下FRP管環(huán)向力學(xué)性能的研究較少,因此試驗(yàn)主要探究不同纏繞角度對(duì)FRP管的影響。在加強(qiáng)效果的評(píng)定上,FRP管的環(huán)向彈性模量、泊松比、極限拉伸應(yīng)變等是衡量加強(qiáng)效果的有關(guān)參數(shù),而對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的FRP管約束混凝土墩柱而言,其中最為重要的是環(huán)向彈性模量,故通過試驗(yàn)測(cè)定FRP管的環(huán)向彈性模量尤為重要。在試驗(yàn)方法上,測(cè)量復(fù)合材料彈性模量有直條形片材拉伸法、分裂盤法等,但由于邊界效應(yīng)、曲率、摩擦力等因素的存在,測(cè)量結(jié)果往往存在較大誤差,而采用水壓試驗(yàn)法不僅能使FRP管接近實(shí)際狀態(tài)發(fā)生均勻膨脹,測(cè)量數(shù)據(jù)可靠,而且能保持試件的完整性[13-15]。

綜上所述,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”,對(duì)不同纖維纏繞角度的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料空管在水壓試驗(yàn)下的環(huán)向彈性模量進(jìn)行測(cè)定,以期通過研究復(fù)材管的靜力學(xué)性能為工程實(shí)踐中更有效地利用GFRP對(duì)橋梁混凝土墩柱進(jìn)行增強(qiáng)加固提供更加準(zhǔn)確的材料數(shù)據(jù)支撐,為復(fù)合材料新型組合墩柱在實(shí)際中的推廣應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)方案

2.1 水壓試件準(zhǔn)備

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)直徑為150～300 mm,高徑比為1∶1～1∶2的FRP約束混凝土柱沒有明顯的尺寸效應(yīng)[16-17],故用小尺寸構(gòu)件類比測(cè)定工程中的大尺寸構(gòu)件的環(huán)向力學(xué)參數(shù)具備合理性。使用3組共9個(gè)GFRP空?qǐng)A管分別采用45°、60°、80°纏繞角(見圖1),其中纖維纏繞角為纖維方向與GFRP管軸向所成的銳角。試件的名義壁厚為3.5 mm,名義直徑和名義高度均為150 mm,由鄰苯樹脂為浸漬基體纏繞6層廣東纖力玻璃鋼有限公司生產(chǎn)的玻璃纖維制成。其中,纖維起到受力及增加強(qiáng)度的作用,樹脂起到傳力及粘結(jié)的作用。各試件兩端均通過機(jī)械加工找平并保持光滑。

每個(gè)GFRP空?qǐng)A管的外側(cè)壁中部均用砂紙打磨出一個(gè)平面,用膠水沿環(huán)向四等分均布粘貼4個(gè)環(huán)向4個(gè)軸向共8個(gè)長(zhǎng)度均為20 mm的應(yīng)變片,4根對(duì)拉螺桿外表面中部均打磨出約30 mm長(zhǎng)的平面區(qū)域并各粘貼1個(gè)軸向長(zhǎng)度為20 mm的應(yīng)變片,各應(yīng)變片布置如圖2所示。粘貼后均用防水玻璃膠包裹應(yīng)變片外側(cè),防止試驗(yàn)加載時(shí)由于水的因素而干擾應(yīng)變片示數(shù)。

圖2 應(yīng)變片的布置

2.2 前期試驗(yàn)

由于水壓試驗(yàn)中環(huán)向彈性模量的計(jì)算需要GFRP管的軸向彈性模量及對(duì)拉螺桿的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖,故在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)也需要進(jìn)行軸壓試驗(yàn)及螺桿拉伸試驗(yàn)獲取相關(guān)力學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)。

(1)軸壓試驗(yàn)。

軸壓試驗(yàn)參考“測(cè)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”[18]和《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管軸向壓縮性能試驗(yàn)方法》(GB/T 5350-2005)[19]進(jìn)行。軸壓彈性模量以同批同尺寸的GFRP空?qǐng)A管在1 000 kN的微機(jī)控制伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn),取平均軸向應(yīng)變?yōu)?.001～0.003之間的線性部分進(jìn)行計(jì)算得出。軸壓試驗(yàn)的加載模式為位移控制,加載速率為0.6(mm/min),加載至試驗(yàn)破壞為止。

軸壓試驗(yàn)所測(cè)得的各GFRP圓管的具體參數(shù)如表1所示。其中,名稱中字母“G”表示GFRP空?qǐng)A管,數(shù)字“45”、“60”、“80”表示對(duì)應(yīng)的纏繞角度,字母組合“A0”、“B0”、“C0”表示同組的試件序次。每種纏繞角均用3個(gè)試件進(jìn)行重復(fù)加載,同時(shí)為了防止軸壓加載時(shí)端部發(fā)生局部破壞,每個(gè)試件兩端均包裹了兩層高度為15 mm的碳纖維布進(jìn)行加固處理。

表1 軸壓試驗(yàn)GFRP管材料參數(shù)

(2)螺桿拉伸試驗(yàn)。

利用水壓試驗(yàn)時(shí)同批次同型號(hào)的3根螺桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn),將每根螺桿中部磨平并各粘貼1個(gè)軸向應(yīng)變片,考慮試驗(yàn)安全均未拉伸至螺桿斷裂,試驗(yàn)中由電腦收集的對(duì)拉螺桿的拉伸荷載與軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖3所示。后續(xù)在GFRP管水壓加載試驗(yàn)中,均值曲線將用于計(jì)算每根螺桿所承受的軸向荷載大小。

圖3 對(duì)拉螺桿拉伸荷載-軸向應(yīng)變關(guān)系圖

2.3 水壓試驗(yàn)

試驗(yàn)參考“測(cè)量結(jié)構(gòu)工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管環(huán)向拉伸性能的內(nèi)壓試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法”[20],將粘貼好應(yīng)變片的GFRP管在上下兩側(cè)分別用內(nèi)設(shè)凹槽的特制鐵餅固定,凹槽內(nèi)置氯丁橡膠U型墊圈用以內(nèi)嵌GFRP管兩端。整個(gè)裝置用環(huán)繞試件圓周均勻布置的4根對(duì)拉螺桿和螺母上下固定鎖緊作為加載體,水壓加載時(shí)試件膨脹使螺桿受拉,利用螺桿對(duì)試件的反向擠壓力使橡膠墊圈變形并貼合GFRP管形成密封狀態(tài),避免由于漏水影響加壓時(shí)的受力狀態(tài)。

所有應(yīng)變片均通過橋接法連至靜態(tài)應(yīng)變儀再連接至電腦,加載體通過上鐵餅正中間的進(jìn)水口外接高箱手動(dòng)試壓泵進(jìn)行加載,試件受力情況由上鐵餅的傳感器傳至電腦,由電腦進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集。由于水壓試驗(yàn)破壞時(shí)可能對(duì)試驗(yàn)人員產(chǎn)生較大危險(xiǎn),出于安全考慮,試件均未加載至破壞即停止。

由于試驗(yàn)裝置的密封要求,GFRP管在加載體安裝完畢時(shí)即處于軸向受壓狀態(tài)。在水壓加載過程中,GFRP管受水壓軸向應(yīng)力逐漸增大,產(chǎn)生向外的膨脹趨勢(shì),對(duì)螺桿產(chǎn)生的拉力也逐漸增大,處于雙軸應(yīng)力狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 計(jì)算公式

(1)

式中:σθ為纖維纏繞角度為θ的GFRP管對(duì)應(yīng)的環(huán)向應(yīng)力,MPa;PW為加載水壓,MPa;di為GFRP管內(nèi)直徑,mm;t為GFRP管管壁厚度,mm。

(2)

(3)

(4)

式中:σx為纖維纏繞角度為θ的GFRP管對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力,MPa;n為對(duì)拉螺桿數(shù)量,根;Fi為第i根對(duì)拉螺桿拉力,由對(duì)拉螺桿上應(yīng)變片讀數(shù)εi在對(duì)拉螺桿軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線上取得,N;PW為加載水壓,MPa;Ai為GFRP管內(nèi)直徑所包圍的面積,mm2;di為GFRP管內(nèi)直徑,mm;Ap為GFRP管的截面面積,mm2;t為GFRP管管壁厚度,mm。

(5)

式中:Eθ為纖維纏繞角度為θ的GFRP管對(duì)應(yīng)的環(huán)向彈性模量,MPa;Ex為同批GFRP管進(jìn)行軸壓試驗(yàn)測(cè)得的對(duì)應(yīng)纖維纏繞角度為θ的軸向壓縮彈性模量,MPa;Δεθ為纖維纏繞角度為θ的GFRP管對(duì)應(yīng)的環(huán)向應(yīng)力-環(huán)向應(yīng)變曲線上直線部分的平均環(huán)向應(yīng)變?cè)隽?Δσθ為Δεθ對(duì)應(yīng)的環(huán)向應(yīng)力增量,MPa;Δσx為Δεθ對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力增量,MPa。

3.2 主要試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)得的45°、60°、80°的環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變的數(shù)據(jù)如圖4所示,據(jù)此數(shù)據(jù)由公式(1)～公式(5)求得GFRP管環(huán)向力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 水壓試驗(yàn)GFRP管環(huán)向力學(xué)參數(shù)

圖4 GFRP管水壓試驗(yàn)環(huán)向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖

4 試驗(yàn)結(jié)論

分別對(duì)45°、60°、80°三種不同纖維纏繞角度的GFRP管在水壓試驗(yàn)下的環(huán)向拉伸性能進(jìn)行測(cè)定,通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算得到不同纏繞角度下GFRP管的環(huán)向彈性模量,并得出以下結(jié)論。

(1)三種纖維纏繞角度的GFRP空管的環(huán)向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線都表現(xiàn)出一定的非線性特征。其中,纏繞角為45°的GFRP管的非線性特征較為顯著,纏繞角為60°和80°的GFRP管均在即將達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)才出現(xiàn)非線性特征。

(2)不同纖維纏繞角度對(duì)GFRP管的環(huán)向力學(xué)性能影響程度不同,在45°、60°、80°這三種纏繞角度中,隨著纖維纏繞角度的增大,GFRP管的環(huán)向彈性模量增大。

(3)對(duì)于纏繞角為45°的GFRP管,應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在平臺(tái)段。當(dāng)達(dá)到一定的環(huán)向應(yīng)力時(shí),環(huán)向應(yīng)力不會(huì)隨著環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。