何軍保, 周志杰, 高一祺, 陳華偉

(南京工業(yè)大學 土木工程學院, 江蘇 南京　210000)

FRP管約束混凝土柱抗側向沖擊能力實驗

何軍保, 周志杰, 高一祺, 陳華偉

(南京工業(yè)大學 土木工程學院, 江蘇 南京210000)

摘要:針對FRP管約束混凝土柱的抗側向承載能力進行了系統(tǒng)研究,通過在FRP管約束混凝土柱的側向施加靜壓載荷,對實驗結果分析可知:在不同F(xiàn)RP管壁厚、縱橫向纖維比例以及填充混凝土與否的情況下,FRP管柱以及FRP管約束混凝土柱試件呈現(xiàn)完全不同的破壞模式.由實驗得出的應力-應變關系曲線和FRP混凝土柱所能承受的最大靜壓載荷數(shù)據(jù),可以作為進一步對動態(tài)沖擊下FRP混凝土柱的研究基礎.

關鍵詞:FRP管柱; FRP管約束混凝土柱; 縱橫向纖維比例; 抗側向沖擊

航道用防撞樁類型有鋼筋混凝土樁、預應力混凝土樁、鋼管樁和木樁等. 但由于海水侵蝕和沿海沿江惡劣環(huán)境的影響使得混凝土易開裂且鋼筋易銹蝕, 使此類防撞結構耐久性出現(xiàn)問題[1]. 而纖維增強復合材料輕質高強, 耐腐蝕性和耐久性好, 可抵抗不同環(huán)境下的腐蝕,這是傳統(tǒng)結構材料難以比擬的[2]. 但FRP材料也有自身的缺點, 如價格高、彈性模量較低等. 因此需將FRP材料和其他一種或多種傳統(tǒng)結構材料(如混凝土、鋼等)組合起來形成FRP組合結構.FRP組合結構可充分發(fā)揮各組分材料的優(yōu)點, 表現(xiàn)出更好的性能[3]. 該種材料能為工程領域提供輕質、高強、抗沖擊、耐腐蝕的高性能防撞結構, 且該種FRP混凝土柱施工簡單, 可在施工地點將拌制好的混凝土現(xiàn)場澆灌進做好的FRP管中. 黃龍男等進行了GFRP管約束混凝土的試驗研究, 并依據(jù)試驗結果建立了GFRP管混凝土柱軸心受壓本構模型. 魯國昌等考慮FRP管承受壓力造成約束模量降低的影響, 提出一種考慮FRP管在軸向和環(huán)向受力情況下的應力-應變關系分析模型[4-5]. 所以,對FRP混凝土結構的力學性能和其他性能方面的研究是有實際意義和需要的. 1995年美國Mirmira和Shahawy首次提出將復合材料管約束混凝土柱(簡稱CFFT)(圖1)應用于橋墩這種結構體系[6].

圖1　典型FRP管約束混凝土結構截面圖

本文主要討論由FRP管材料和混凝土填充物形成的FRP管約束混凝土柱在靜壓力載荷下的抗側向沖擊性能,實驗測出 FRP管約束混凝土柱的側向受壓力和位移的相應變化情況并給出力與位移關系.

1實驗概況

1.1試件設計

本實驗共有12個FRP約束混凝土柱試件,分成6組進行實驗對照,每組有兩個相同的試件.本實驗的主要設計參數(shù)包括FRP管壁厚(本實驗的試件FRP管壁厚度均為2 mm)、FRP管的直徑和長度、FRP纖維縱橫向的纏繞比例、FRP管填充混凝土(填充的混凝土等級相同均為 C60)與不填充混凝土.所采用的FRP管為聚酯纖維管,尺寸分別為外徑142 mm、壁厚2 mm、長度750 mm和外徑110 mm、壁厚2 mm、長度700 mm兩種類型.通過控制變量法[7],分別分析FRP管壁厚、FRP縱橫向纖維比例以及是否填充混凝土,對FRP管柱與FRP混凝土柱試件的破壞模式的影響.試件具體參數(shù)見表 1.

表1　試件參數(shù)

注: 試件的命名方法:①試件名的第一個字母代表試件的種類.“A”代表外徑110 mm、壁厚2 mm、長度700 mm尺寸的FRP混凝土柱;“B”代表外徑142 mm、壁厚2 mm、長度750 mm尺寸的FRP混凝土柱.②試件名的第二個字母代表試件是否填充混凝土.“H”代表未填充混凝土;“S”代表FRP管填充了混凝土.③試件名第二個字母后的數(shù)字和破折號組合代表FRP纖維縱橫向比例.“1-1”代表纖維縱橫向比例為1∶1.

1.2試件的加工制作

在FRP管的空隙澆注混凝土,并進行振搗搗實,澆注混凝土時應使混凝土面略高于FRP管表面.試件端部找平.待混凝土養(yǎng)護好后,用角磨機將混凝土磨至試件上端面齊平.在FRP管外側近支座處、端部和中部貼兩向應變片,即在FRP管的外側環(huán)向和縱向貼應變片. 根據(jù)FRP圓管的圖形對稱,所以只需在其環(huán)向180°弧面上每隔45°貼一對應變片即可[8].

1.3加載方案和測量裝置

側向抗壓試驗主要考察試件的縱、橫向位移及約束混凝土的應力-應變曲線等.對于FRP管約束混凝土試件,本次試驗主要測試試件的橫向承載力、FRP管的縱向及環(huán)向應變.分別在FRP管柱和FRP約束混凝土管近支座處、端部和中部間隔45°處共5處貼縱向及環(huán)向應變片,以測量該截面處的縱向應變和環(huán)向應變.此外,在試件的端部和中部正上方處各設置1個位移計,以測量橫向位移.量測裝置如圖2所示.試件均用設計制作與試件貼合較好的兩個半圓支座夾頭固定.

圖2試件上的應變片和加載裝置布置

Fig.2Strain gauge on specimens and arrangement of loading device

所有試件均用千斤頂進行試驗.實驗時采用分級加載機制,前一段每一個梯度為2 kN,依次向上加載,在初始加載階段,每級加載后采集應變數(shù)據(jù),持載使力顯示儀器數(shù)字不再大幅變化,趨于穩(wěn)定后進行下一級加載.當載荷達到預計極限的60%后,每級載荷減為0.5～1 kN.臨近破壞時,載荷極差更小,連續(xù)緩慢加載直至試件破壞,力顯示儀器上的數(shù)字明顯回落時停止實驗.

2實驗數(shù)據(jù)分析

試件AH4-1在加載裝置的加載下達到最大載荷,后又明顯回落,此時試件的長度方向上沒有破壞,而環(huán)向破壞相當嚴重,說明FRP縱橫向纖維比例對試件承受載荷能力影響較大.

Fig.3Experimental analysis of specimen AH4-1

(a)—試件AH4-1載荷-應變曲線; (b)—試件AH4-1載荷-位移曲線.

圖3a為試件AH4-1的載荷和應變關系曲線.從實驗得到的曲線可以看出,未填充混凝土的FRP管所能承受的最大載荷16 kN,隨著載荷的逐級往上增加,試件的應變也隨著增加.且從實驗得到的曲線可以看出,在直角坐標系中,載荷-應變曲線近似為一條過原點的直線成線性變化.而圖3b載荷-位移曲線描述試件的端部和中部的相關載荷與位移.實驗得到的曲線顯示,隨著載荷的逐級增加,試件的位移也隨著近似線性增大,但當所加的載荷達到并超過試件所能承受的最大載荷時,曲線突然向下跳躍,之后不再有明顯的上升,這說明FRP管的力學性能不像鋼筋,當FRP管所受到的載荷達到其極限值后,沒有應變加強階段,只是經(jīng)歷了彈性階段和較短的塑性階段就幾乎完全失效被破壞.

試件AS4-1在達到最大載荷后又明顯回落,此時試件完全破壞.由于填充了混凝土,從實驗結果看,試件的長度方向有一定程度的損壞,環(huán)向完全被破壞.斷裂時的極限載荷較試件AH4-1的極限載荷增長并不明顯.

Fig.4Experimental analysis of specimen AS4-1

(a)—試件AS4-1載荷-應變曲線; (b)—試件AS4-1載荷-位移曲線

圖4a為試件AS4-1的載荷和應變關系曲線,可以看出,填充混凝土的FRP管所能承受的最大載荷為20 kN,比未填充混凝土的FRP空管極限載荷增加了約4 kN.隨著載荷逐級增加,應變也隨著增加,載荷-應變曲線近似線性變化.

圖4b為試件的端部和中部的載荷與位移關系曲線.實驗得到的曲線顯示,隨著載荷的逐級增加,位移也隨著增大,但與試件AH4-1的載荷位移曲線相比,經(jīng)歷了彈性階段和較為明顯的應變加強階段.當所加的載荷達到并超過試件所能承受的最大載荷時,曲線突然向下跳躍,之后不再有明顯的上升,經(jīng)歷了彈性階段,應變加強階段和較短的塑性階段就幾乎完全失效.試件AS4-1破壞后載荷-位移曲線沒有試件AH4-1破壞后載荷-位移曲線回落明顯,這是因為管內填充了混凝土,雖然FRP管實驗后完全破壞斷裂,但管內的混凝土因為包裹的FRP管的環(huán)箍效應沒有完全破壞仍然有一定的強度.實驗結果看到,試件長度方向上也受到了一定的破壞,由于長度方向上纏繞的纖維較少,管內填滿的混凝土對管有阻止其向內的約束力,實驗時FRP管外管內都受到力(見圖 5)的作用,但管內與管外力的方向有一定的偏差,使得FRP管長度方向被破壞.

圖5　FRP管內外的受力作用

試件BH1-1實驗結果顯示,試件先出現(xiàn)環(huán)向破壞,FRP縱向纖維斷裂.當載荷達到一定值時,試件的長度方向開始破壞,FRP橫向纖維開始斷裂,且較FRP縱向纖維斷裂更加顯著,可能是固定試件的支座有微小的錯位,對試件產生了環(huán)向剪力造成的.

Fig.6Experimental analysis of specimen BH1-1

(a)—試件BH1-1載荷-應變曲線; (b)—試件BH1-1載荷-位移曲線.

圖6a為試件BH1-1的載荷-應變關系曲線.可以看出,未填充混凝土的FRP管所能承受的最大載荷為27 kN,隨著載荷的逐級增加,試件的應變也隨著增加,且在直角坐標系中,載荷-應變曲線近似為一條過原點的直線,成一次線性變化.

圖6b為試件的端部和中部的相關載荷-位移曲線.曲線顯示,隨著載荷的逐級增加,試件的位移也隨著近似線性增大,但當所加的載荷達到并超過試件所能承受的最大載荷時,曲線突然向下跳躍,之后不再有明顯的上升,這說明FRP管的力學性能不像鋼筋,當FRP管所受到的載荷達到其極限值后,沒有應變加強階段,只是經(jīng)歷了彈性階段和較短的塑性階段就幾乎完全失效被破壞了.

試件BS1-1在加載裝置的加載下達到最大載荷,后又明顯回落,此時試件完全破壞.由實驗結果可知,試件的長度方向有一定程度的損壞, 環(huán)向完全被破壞,斷裂時的極限載荷較試件BH1-1略有增長.

圖7為試件BS1-1的載荷-應變關系曲線.從實驗得到的曲線可知,試件能承受的最大載荷為36 kN, 比未填充混凝土的FRP空管極限載荷加強了約9 kN,載荷-應變曲線近似成線性關系.與BH1-1的載荷-位移曲線相比擁有較為明顯的應變加強階段.而試件BS1-1破壞后載荷-位移曲線沒有試件BH1-1破壞后載荷-位移曲線回落明顯,這是因為管內填充了混凝土,雖然FRP管實驗后完全破壞斷裂,但管內的混凝土沒有完全破壞,仍然有一定的強度.實驗結果看到,除了試件的環(huán)向受到破壞,試件的長度方向上也受到了一定的破壞.

圖7　試件BS11載荷應變曲線

對試件BH4-1進行靜壓加載實驗,試件BH4-1為未填充混凝土的FRP管且其FRP縱橫向比例為4∶1,在加載裝置的加載下達到最大載荷,力顯示儀器上的數(shù)字達到最大值又明顯回落,此時試件完全破壞,但由于FRP縱橫向纖維比例為4∶1,所以試件的長度方向上沒有破壞,而環(huán)向破壞相當嚴重,這就說明FRP縱橫向纖維比例對試件承受載荷能力影響較大.

圖8為試件BH4-1的載荷-應變關系曲線.可以看出,未填充混凝土的FRP管所能承受的最大載荷為35 kN,與試件BH1-1比較,試件BH4-1所能承受的最大載荷增加了近8 kN,其強度接近于填充了混凝土的試件 BS1-1.隨著載荷的逐級增加,試件的應變也隨著增加.且從實驗得到的曲線可以看出,在直角坐標系中,載荷-應變曲線近似為一條過原點的直線,成一次線性變化.

試件BS4-1的FRP管縱橫向比例為4∶1,

圖8　試件BH41載荷應變曲線

在加載裝置的加載下達到最大載荷,后又明顯回落,此時試件完全破壞.由于試件是預先澆灌填充了混凝土,FRP縱橫向纖維比例為4∶1,從實驗結果來看,試件的長度方向沒有明顯的損壞,環(huán)向完全被破壞,斷裂時的極限載荷較試件BH4-1的略有增長,但并不明顯.

圖9為試件BS4-1在近支座處FRP管外面,每個相隔45°的5個測點載荷-應變關系曲線.可以看出,填充混凝土的FRP管所能承受的最大載荷為45 kN,比未填充混凝土的FRP空管極限載荷加強了約10 kN.隨著載荷的逐級增加,試件的應變也隨著增加,且在直角坐標系中,載荷-應變曲線近似為一條過原點的直線成一次線性變化.(圖9中曲線顯示應變有正有負,因為測點1、2、3是從近支座處FRP約束混凝土柱的正上方依次往下隔45°,測點4、5在試件近支座處下方.)實驗得到的曲線顯示,隨著載荷的逐級增加,試件的應變也隨著增大,但與試件BH4-1的載荷位移曲線不同,由于填充了混凝土,FRP管內的混凝土對FRP管有一定的約束作用,所以試件的載荷-應變曲線經(jīng)歷了彈性階段和較為明顯的應變加強階段.當所加的載荷達到并超過試件所能承受的最大載荷時,曲線突然向上下震蕩,且有略微的應變強化,經(jīng)歷了彈性階段,應變加強階段和較短的塑性階段就幾乎完全失效被破壞了.試件BS4-1長度方向沒有像試件BS1-1那樣遭到破壞,是因為其FRP縱橫向纖維比例為4∶1,較難被破壞.

圖9　試件BS41各測點載荷應變曲線

3結論

為了解FRP約束混凝土柱的抗沖擊力學性能,本文討論并初步分析了6組試件(每組2個相同試件)在側向靜壓載荷下FRP管外徑為110 mm和142 mm、FRP縱橫向纖維比例為1∶1和4∶1、是否填充混凝土對實驗結果的影響,主要得出了以下結論:

(1) 在FRP管壁厚相同和FRP縱橫向纖維比例4∶1的條件下,無論管徑的大小和有無填充混凝土,當試件環(huán)向達到極限載荷斷裂時,試件長度方向不發(fā)生破壞.相反縱橫向纖維比例 1∶1時,試件長度方向都發(fā)生斷裂破壞.說明FRP縱向纖維比例提高時,可以較好地加大長度方向FRP管的強度.

(2) 不考慮FRP縱橫向纖維比例和有無填充混凝土,管徑為142 mm的試件比110 mm的試件側向抗壓能力顯著增強,在一定范圍內提高管徑可以提高管柱的抗側承載力.

(3) 在FRP管壁厚度和填充混凝土都相同條件下,無論縱橫向纖維比例大小,FRP管徑大的試件比FRP管徑小的試件側向抗壓強度明顯提高,說明FRP約束混凝土柱抗側承載力主要由混凝土提供.

(4) 填充了混凝土的FRP約束混凝土柱的受壓載荷-應變曲線斜率小,即表明FRP管具有一定的緩沖作用.

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【責任編輯: 祝穎】

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Experiment Research on Lateral Impact Bearing Capacity of FRP Pipe Confined Concrete Column

HeJunbao,ZhouZhijie,GaoYiqi,ChenHuawei

(College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210000, China)

Abstract:The lateral bearing capacity of FRP pipe confined concrete column is researched. Static pressure is applied on the lateral of FRP pipe confined concrete column, and the experimental results show that the failure modes of FRP pipe column and FRP pipe confined concrete column are totally different, when they have different pipe wall thickness, different fiber ratio of longitudinal and transverse and concrete infill or not. According to experiment, the stress-strain curves and the maximum static pressure which the FRP concrete column can afford can be used as the basis on researching FRP concrete column under dynamic impact.

Key words:FRP pipe column; FRP pipe confined concrete column; fiber ratio of longitudinal and transverse; resistance to lateral impact

中圖分類號:TU 323.1

文獻標志碼:A

文章編號:2095-5456(2015)06-0489-06

作者簡介:何軍保(1989-),男,河南濮陽人,南京工業(yè)大學碩士研究生.

收稿日期:2015-04-25