鄧宗才， 賈鵬星

(北京工業(yè)大學城市與工程防災減災省部共建教育部重點實驗室， 北京 100124)

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足尺寸GFRP筋HFRC柱的軸壓性能與理論研究

鄧宗才， 賈鵬星

(北京工業(yè)大學城市與工程防災減災省部共建教育部重點實驗室， 北京 100124)

為了研究玻璃纖維增強聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋混雜纖維混凝土(hybrid fiber reinforced concrete，HFRC)柱的軸壓性能，進行了5個GFRP筋HFRC柱和1個未配筋HFRC柱的軸壓試驗，分析了GFRP箍筋間距和縱筋配筋率對GFRP筋HFRC柱軸壓性能的影響規(guī)律. 結果表明：提高GFRP縱筋配筋率可以提高試件的承載力，箍筋間距小的試件的延性明顯高于箍筋間距大的試件. 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸出了GFRP筋HFRC柱峰值應力、峰值應變以及承載力的計算公式.

GFRP筋；混雜纖維混凝土；軸壓性能；承載力；變形

柱子在結構中通常起著最關鍵的作用，關鍵部位一個受壓構件的失效就會導致整個結構的失效. 目前常用的是鋼筋混凝土柱. 在海洋環(huán)境、鹽堿地區(qū)、橋梁工程和化工廠廠房等承受腐蝕作用的混凝土結構，鋼筋易腐蝕，嚴重影響結構安全性和使用壽命. 纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)是替代鋼筋、用于腐蝕環(huán)境中結構的最理想材料. 玻璃纖維增強聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋具有抗拉強度高、密度小、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能優(yōu)良和電磁絕緣性好等優(yōu)點[1].

目前，F(xiàn)RP筋增強普通混凝土柱以及鋼筋增強纖維混凝土柱的軸壓性能已有相關研究[2-7]，但關于GFRP筋的混雜纖維混凝土(hybrid fiber reinforced concrete，HFRC)柱的軸壓特性及理論未見報道. 為了彌補GFRP筋的線彈性和脆性較大的不足，本文混凝土中摻加了短切高性能聚烯烴纖維(polyolefin, PP)以及聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維，以改善GFRP筋混凝土柱的變形能力. 粗聚烯烴纖維、PVA纖維間具有良好的協(xié)同效應，優(yōu)勢互補，由于PVA纖維較細且表面有親水羥基，與基體黏結良好，纖維拔出過程會消耗較多的能量；粗聚烯烴纖維較長，表面凹凸不平，增加了它與基體的黏結效果，對提高HFRC裂后變形能力有較大貢獻，纖維在拔出和拉斷的過程中消耗了較多能量[8]. 本文進行了6根GFRP筋HFRC柱的軸壓試驗，分析了GFRP筋的箍筋間距和縱筋配筋率對纖維混凝土柱的軸壓性能的影響規(guī)律，提出了GFRP筋纖維混凝土柱的承載力計算公式，為工程應用FRP筋混凝土柱提供參考數(shù)據(jù).

1 試驗概況

1.1 試件設計與材料

共設計6個圓形截面柱，其中1個未配筋HFRC柱，5個GFRP筋HFRC柱，柱子的直徑為380 mm，高度為1 300 mm. 柱編號和配筋列于表1，其中：“G”后的數(shù)字表示GFRP縱筋的根數(shù)；“-”后數(shù)字表示GFRP箍筋間距，如G6-90，表示縱筋6根，箍筋間距為90 mm；N為未配筋試件；ρf為縱筋配筋率；d、n分別為縱筋直徑和根數(shù)；dv為箍筋直徑；ρv為體積配箍率；s為箍筋間距.

表1 試件編號匯總

HFRC的材料組成和配合比見表2，其中水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，砂子為中砂，減水劑采用復配的西卡高效聚羧酸減水劑；粗纖維為上海羅洋材料有限公司提供的波浪形PP，直徑1 mm，長度40 mm，抗拉強度530 MPa，彈性模量5.6 GPa；PVA直徑20 μm，長度10 mm，抗拉強度1 600 MPa.

GFRP筋由南京鋒暉復合材料有限公司提供，縱筋的抗拉強度840 MPa，彈性模量45 GPa；螺旋箍筋的抗拉強度336 MPa，彈性模量45 GPa.

表2 纖維混凝土組分及配合比

1.2 試件制作與養(yǎng)護

將內(nèi)徑380 mm的PVC管切割成長度為1 300 mm的管子，底部用木板封住. 用扎帶將GFRP筋按照設計的箍筋間距和縱筋根數(shù)及位置綁扎好，為保證破壞發(fā)生在試件中部，試件兩端分別設置250 mm箍筋加密區(qū)，加密區(qū)內(nèi)箍筋間距為50 mm. 將綁扎好的GFRP筋放入PVC管中，把GFRP筋固定在PVC管上，使之周圍和PVC管的距離保持一致. 將攪拌均勻的纖維混凝土分批倒入PVC管中，倒入的過程中用振動棒振搗密實. 7 d后將PVC管切除，自然養(yǎng)護21 d，開始試驗. 試件制作過程如圖1所示.

1.3 試驗加載與測試內(nèi)容

在試件中部的箍筋上等間距貼4個應變片，用來測箍筋的應變. 每隔1根縱筋貼1個應變片，用來測縱筋的應變. 柱高中部位置混凝土的四周等間距貼4個縱向和4個橫向的應變片，用來測混凝土的縱向和橫向應變. 同時，在柱子的四周用4個位移計測定軸向變形量. 用20 MN的電液伺服機加載，峰值荷載前用力控制加載速率，加載速率150 kN/min，峰值荷載后用位移控制加載速率，加載速率0.12 mm/min. 為了消除試件兩端不平整對試驗的影響，在試件兩端鋪一層細砂找平. 正式加載前先預加載至50 kN，如果試件四周的應變均在四周應變平均值的±5%范圍以內(nèi)，表示試件受荷均勻，否則重新調(diào)整對中，直至滿足要求. 對中完畢后，開始加載直到試件破壞. 用計算機數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)記錄試驗數(shù)據(jù). 試驗加載裝置見圖2.

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象和破壞形態(tài)

未配筋試件加載初期處于彈性階段，其軸向應變和環(huán)向應變均較??；當加載至峰值荷載的85%左右時，試件中部出現(xiàn)微裂縫，位移增加的速率逐漸加快，并伴有纖維拔出和斷裂的“噼啪”聲；隨著荷載的增加，微裂縫逐漸增多且向試件兩端延伸，當加載至峰值荷載時，裂縫開裂明顯；隨后荷載迅速減小，裂縫逐漸變寬，但由于纖維的橋聯(lián)作用試件完整性較好.

配筋試件加載初期和未配筋試件類似，其軸向應變和環(huán)向應變均較小，箍筋尚未發(fā)揮作用；當加載至峰值荷載的80%～90%時，試件中部出現(xiàn)微裂縫；隨著荷載的增加伴有纖維拔出和斷裂的“噼啪”聲，到達峰值荷載時，裂縫開裂明顯，此時箍筋作用較??；隨后試件軸向和環(huán)向應變增長較快，箍筋的約束作用逐漸增大，荷載較未約束試件下降緩慢；當荷載下降到峰值荷載的85%左右時箍筋斷裂，有較大的響聲，隨后荷載迅速下降. 試件在軸壓過程中并未發(fā)生保護層脫落現(xiàn)象，這與文獻[1]中描述的GFRP筋增強普通混凝土柱明顯不同，文獻[1]中保護層脫落現(xiàn)象很嚴重. 待加載完畢后用錘子鑿開裂縫處的保護層，觀察到箍筋和縱筋都已斷裂，如圖3(d)所示. 試件破壞過程如圖3所示.

2.2 試驗數(shù)據(jù)與分析

試驗結果列于表3. 表中Pmax為柱子承載力實測值，fcc和εcc分別為約束HFRC的峰值應力、峰值應變，fco和εco分別為非約束HFRC的峰值應力、峰值應變，Pb為柱子峰值荷載時縱筋的總荷載，εs和εb分別為柱子峰值荷載時箍筋和縱筋的應變實測值. 混凝土的延性系數(shù)用比值ε85/ε1表示，ε85是軸向荷載下降到峰值荷載的85%時所對應的軸向應變，ε1是上升段彈性極限所對應的應變[9]，見圖4.

由表3可見，GFRP筋HFRC柱的承載力Pmax的范圍為5 124～5 680 kN，此時縱筋的軸向應變εb的范圍為3.524×10-3～5.256×10-3，遠小于其極限應變(1.860×10-3)；峰值荷載時箍筋的應變范圍為1.524×10-3～2.428×10-3，遠大于文獻[1]中GFRP筋普通混凝土柱的305×10-6，這表明峰值荷載時GFRP筋HFRC柱的箍筋應力比GFRP筋普通混凝土的大很多，約束作用不能忽略. HFRC的峰值應變εcc的范圍為3.561×10-3～5.203×10-3，比文獻[1]中GFRP筋普通混凝土柱的峰值應變εcc(1.746×10-3～2.740×10-3)大1倍左右，這表明GFRP筋HFRC混凝土在達到承載力之前的變形性能更好.

2.3 應力- 應變曲線

由于試件加載過程中，混凝土保護層并未脫落，所以認為縱筋和混凝土之間沒有發(fā)生滑移，其應變相等，故混凝土的應力計算公式為

(1)

式中：P為荷載實測值；Ef為GFRP縱筋的彈性模量;εc為混凝土的縱向應變；Af為GFRP縱筋總截面面積.

表3 試驗結果

圖5為混凝土的軸向應力- 應變曲線，試驗結果表明，在加載初期試件處于彈性變形階段，箍筋尚未發(fā)揮約束作用，應力- 應變曲線幾乎是直線. 隨著荷載增加，應力- 應變曲線逐漸變彎，應變的增長速率快于應力增長. 隨著荷載進一步增加，應力- 應變曲線斜率急劇減小，隨后應力- 應變曲線到達峰值點. 峰值點后GFRP箍筋能夠繼續(xù)發(fā)揮約束，應力- 應變曲線下降較為平緩，延性較好，一直持續(xù)到應力下降到85%峰值應力后GFRP筋才會破壞. 最后，因GFRP箍筋斷裂核心混凝土承載力迅速下降，試件破壞. 觀察文獻[1]中GFRP筋普通混凝土柱的荷載- 應變曲線可知柱子破壞時軸向應變?yōu)?×10-3～6×10-3，而本文中柱子破壞時軸向應變在8×10-3以上，因此，GFRP筋HFRC柱的變形能力更強.

2.4 影響承載力、變形的因素

2.4.1 GFRP縱筋配筋率

圖6(a)為其他條件相同但縱筋配筋率不同的3個試件和未配筋試件的應力- 應變曲線. 由圖6(a)可知，縱筋配筋率對HFRC的應力- 應變曲線的影響很小. 由表3可知，隨著縱筋配筋率的提高(1.06%、1.42%、1.77%)，試件G6-70、G8-70、G10-70的峰值荷載相對于未配筋試件N分別提高21.1%、22.9%、24.6%；HFRC峰值應力分別提高15.9%、16.1%、16.4%；HFRC峰值應變分別提高43.4%、39.8%、36.6%. 這表明隨著縱筋配筋率的提高，縱筋分擔的荷載增加，柱子承載力有所提高；而配筋率對HFRC峰值應力、應變的影響很小. 此外，當縱筋配筋率從1.06%增加到1.77%，峰值荷載時縱筋承擔的荷載所占的比重Pb/Pmax從4.22%增加到6.55%，延性系數(shù)從2.53降低到1.56. 這表明隨著縱筋配筋率的提高，縱筋承擔的荷載比重增加，但也增加了柱子的脆性.

2.4.2 GFRP箍筋間距

圖6(b)為其他條件相同但箍筋間距不同的三個試件和未配筋試件的應力- 應變曲線. 由圖6(b)可知，箍筋間距越小，HFRC峰值應力和峰值應變越大，下降段越平緩. 由表3可知，隨著箍筋間距的減小，試件G6-90、G6-70、G6-50的峰值荷載相對于未配筋試件N分別提高15.9%、21.1%、28.5%；HFRC峰值應力分別提高11.5%、15.9%、22.1%；HFRC峰值應變分別提高21.3%、43.4%、77.2%. 這表明箍筋間距越小，試件的承載力以及HFRC的峰值應力和峰值應變越大. 此外，當箍筋間距從90 mm降低到50 mm，峰值荷載時縱筋承擔的荷載所占的比重Pb/Pmax從3.73%增加到5.02%，延性系數(shù)從1.63增加到3.50. 因此，較小的箍筋間距具有較好的約束效果.

3 GFRP筋HFRC柱的理論分析

3.1 箍筋對HFRC的有效約束應力

在軸壓荷載的作用下，混凝土的側向膨脹使得箍筋產(chǎn)生應力，箍筋的約束應力沿柱高分布不均勻，產(chǎn)生拱效應，如圖7所示. 縱向方向上相鄰箍筋的中間高度截面上的有效約束區(qū)面積Ae為最小，它與混凝土核心面積Acc之比被定義為有效約束系數(shù)ke[10]，圓柱的有效約束系數(shù)計算公式為

(2)

式中:s′是箍筋的凈間距;ds是柱子截面直徑上箍筋中軸線之間的距離.

文獻[10]用有效側向約束應力fle來計算混凝土達到峰值應力時圓形箍筋對混凝土的約束應力的大小.

fle=0.5keρvfh

(3)

式中:ρv表示體積配箍率;fh表示混凝土峰值應力時箍筋應力.

3.2 HFRC峰值應力時箍筋應力

圖8為試件G6-50實測箍筋應變- 柱子軸向荷載曲線，由圖8可知當HFRC達到峰值應力時GFRP筋并未達到極限狀態(tài)，所以，計算HFRC峰值應力所對應的箍筋應力時不可以直接用箍筋的抗拉強度. 試驗表明，若箍筋間距較大(90 mm)，HFRC峰值應力時橫向膨脹較小，所對應的箍筋應變很小(1.524×10-3)，遠遠達不到箍筋的抗拉強度，當箍筋間距較小時(50 mm)，HFRC峰值應力所對應的箍筋應變相應增大(2.428×10-3)，箍筋的約束作用較強.

文獻[11]假定混凝土到達峰值應力時所對應的箍筋應力是配箍率、箍筋形狀、混凝土強度和截面尺寸的函數(shù)，回歸出了混凝土峰值應力對應的箍筋應力的計算公式，根據(jù)本文試驗數(shù)據(jù)回歸出混凝土峰值應力對應的箍筋應力的計算公式為

(4)

式中:Ev為箍筋的彈性模量;fco為未約束混凝土強度.

3.3 HFRC的峰值應力和峰值應變

由試驗結果回歸出纖維混凝土的峰值應力和峰值應變分別為

(5)

(6)

fcc/fco和εcc/εco計算值和試驗值吻合良好，見圖9.

3.4 GFRP筋HFRC柱的承載力

由于FRP筋增強普通混凝土柱在峰值荷載時箍筋的約束作用很小，現(xiàn)有研究[1,5]中柱子承載力的計算公式都未考慮箍筋的貢獻. 文獻[1]中FRP筋增強普通混凝土柱的承載力公式為

P0=0.85f′c(A-Af)+0.35ffAf

(7)

式中：A表示柱子的截面面積；f′c表示標準圓柱體試件的抗壓強度;ff表示縱筋的抗拉強度;Af表示GFRP縱筋的總截面面積.

文獻[5]中FRP筋增強普通混凝土柱的承載力公式為

P0=φf(fcAc+λfEfεfAf)

(8)

式中:φf表示長柱穩(wěn)定系數(shù);fc表示混凝土軸心抗壓強度;λf表示承載力折減系數(shù)，建議取λf=0.7;εf表示縱筋壓應變，建議取εf=0.002 5;Ac、Af分別表示混凝土和縱筋截面面積.

本文試驗結果表明，箍筋和縱筋對承載力都有貢獻，柱子承載力公式由2個部分組成：約束混凝土的承載力和縱筋的承載力，其公式為

P0=fcc(A-Af)+EfεccAf

(9)

式中：P0表示柱子的承載力；A表示柱子的截面面積；Af表示GFRP縱筋的總截面面積；fcc用式(5)計算，εcc用式(6)計算.

將本文和文獻[1，5]的承載力計算值與本文試驗值對比，見圖10. 由圖可知，試驗值與式(7)的計算值之比Pmax/P0在1.118～1.239，試驗值與式(8)的計算值之比Pmax/P0在1.202～1.245，而試驗值與式(9)的計算值之比Pmax/P0在1.007～1.020. 因此，式(7)和式(8)的承載力計算公式偏保守，這是由于FRP筋普通混凝土柱在峰值荷載時箍筋的約束作用很小，被忽略掉了，而GFRP筋HFRC柱在峰值荷載時箍筋的約束作用較大. 本文提出的公式能夠較好地預測GFRP筋HFRC柱的承載力.

4 結論

1) GFRP筋HFRC柱的軸壓過程中并未發(fā)生混凝土保護層剝落的現(xiàn)象，因此認為縱筋和混凝土變形協(xié)調(diào).

2) 箍筋直徑相同時，較小的箍筋間距具有較好的約束效果. 隨著箍筋間距的減小，配箍率逐漸增大，HFRC的應力- 應變曲線下降段更加平緩，柱子的延性更好.

3) 隨著縱筋配筋率的提高，試件的承載力有一定的提高，但HFRC峰值應變有所降低.

4) GFRP筋普通混凝土柱峰值荷載時箍筋的約束作用很小，承載力計算可不考慮箍筋的約束作用，而GFRP筋HFRC柱峰值荷載時箍筋的約束作用不可忽略. 本文提出的承載力公式由2個部分組成：約束HFRC的承載力和GFRP縱筋的承載力，能夠較好地預測GFRP筋HFRC柱的承載力.

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(責任編輯 鄭筱梅)

Axial Compression Performance and Theoretical Study of Full-size HFRC Columns Reinforced With GFRP Bars and Spirals

DENG Zongcai， JIA Pengxing

(The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

In order to study the axial compression behaviors of HFRC (hybrid fiber reinforced concrete)columns reinforced with GFRP(glass fiber reinforced polymer)bars and spirals，five HFRC columns reinforced with GFRP bars and spirals and one HFRC column were tested. The influence effects of the stirrup spacing and longitudinal reinforcement ratio were analyzed. The results indicate that the increase of longitudinal reinforcement ratio can enhance the bearing capacity and the ductility of small stirrup spacing specimens was significantly higher than that of large stirrup spacing specimens. According to the experimental data, the calculation formula of the peak stress, peak strain and the bearing capacity of GFRP reinforced HFRC columns are returned.

glass fiber reinforced polymer(GFRP)bars and spirals；hybrid fiber reinforced concrete(HFRC)；axial compression performance；axial capacity；deformation

2016- 04- 13

國家自然科學基金項目(51378032，51578021)

鄧宗才(1961—)， 男， 教授， 主要從事新型工程材料及結構方面的研究， E-mail：dengzc@bjut.edu.cn

TU 375.3

A

0254-0037(2016)12-1873-07

10.11936/bjutxb2016040037