呂增奎 李 峰 佘殷鵬

(1.中國人民解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007； 2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210000)

BFRP筋軸心受壓性能研究及破壞模式分析

呂增奎1李 峰1佘殷鵬2

(1.中國人民解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007； 2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210000)

對(duì)BFRP筋的軸壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測(cè)試了BFRP筋抗壓強(qiáng)度、彈性模量、極限應(yīng)變等主要力學(xué)性能，并對(duì)BFRP筋的軸心受壓過程和破壞模式進(jìn)行了分析，為工程應(yīng)用提供了參考。

BFRP筋，軸心受壓，端部約束，破壞模式

0 引言

目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)大量應(yīng)用于土木工程建設(shè)中，但由于其結(jié)構(gòu)自重大、鋼筋耐腐蝕性能低等缺陷，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命[1]。自20世紀(jì)80年代以來，國外研究人員開始利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋來替代鋼筋加固混凝土的新型結(jié)構(gòu)，有效彌補(bǔ)了此類不足[2]。FRP是一種聚合物基復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)及耐腐蝕等優(yōu)良性能[3]。在混凝土柱結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP縱筋主要承受軸向壓應(yīng)力，但當(dāng)前對(duì)FRP筋受力性能的研究主要集中在拉伸性能方面，而對(duì)FRP筋受壓性能的研究略顯不足[4，5]，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來了不便。

本文以拉擠成型BFRP筋為研究對(duì)象，通過設(shè)計(jì)端部約束裝置，模擬了受壓BFRP筋的實(shí)際工作狀態(tài)，開展了BFRP筋軸心受壓試驗(yàn)，得到了其軸壓性能和破壞模式。所得成果對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定參考意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的BFRP筋內(nèi)徑為8 mm，肋間距(相鄰兩個(gè)橫肋中

心距)為1倍直徑，肋深度(筋材在肋變形處直徑與相鄰變形中間點(diǎn)直徑的一半)為直徑的6%，見圖1。BFRP軸壓試件尺寸及基本參數(shù)見表1，試件數(shù)量為7，編號(hào)依次為B1～B7。

表1 試件尺寸及基本參數(shù)

1.2 夾具設(shè)計(jì)

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無約束BFRP筋在壓縮過程中，端部纖維與樹脂發(fā)生脫粘，纖維絲呈放射狀展開，破壞形式與實(shí)際結(jié)構(gòu)中BFRP筋的破壞形式不符，如圖2所示。

為了模擬出BFRP混凝土縱筋的實(shí)際工作狀態(tài)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了端部約束裝置并固定在試件兩端。端部約束裝置尺寸及實(shí)物如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)加載設(shè)備選用美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的CDT1504微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)，荷載與位移數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)傳感器自動(dòng)采集。試驗(yàn)過程中的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)通過DH5902動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集，應(yīng)變片在試件中部兩側(cè)對(duì)稱粘貼，在此之前需對(duì)粘貼位置進(jìn)行打磨。試件破壞過程通過高速攝像機(jī)記錄，以便觀察試件的破壞過程。軸壓試驗(yàn)參照GB/T 1448—2005纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法和GB/T 1446—2005纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則進(jìn)行?？紤]到加載速率對(duì)其破壞模式和抗壓強(qiáng)度的影響，B1～B5試件以2 mm/s的標(biāo)準(zhǔn)加載速度加載，B6,B7試件以1 mm/s的加載速度進(jìn)行加載。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

為了得出BFRP筋抗壓性能，需要根據(jù)軸壓試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)BFRP筋的抗壓強(qiáng)度和軸壓彈性模量進(jìn)行計(jì)算。

BFRP筋抗壓強(qiáng)度：

(1)

其中,σc為抗壓強(qiáng)度；p為極限荷載；s為截面面積；D為內(nèi)徑。

軸壓彈性模量：

(2)

其中，ε″=0.003，ε′=0.001，σ″與σ′為ε″與ε′ 對(duì)應(yīng)的軸壓應(yīng)力。BFRP筋軸壓性能參數(shù)見表2。

表2 實(shí)測(cè)BFRP筋軸壓性能參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，BFRP筋的抗壓強(qiáng)度處于430 MPa～560 MPa之間，高于《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》中普通HRB400鋼筋的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(360 MPa)，滿足了結(jié)構(gòu)的使用要求。BFRP筋極限應(yīng)變均超過9 000 με，遠(yuǎn)大于混凝土破壞時(shí)的極限壓應(yīng)變3 300 με，能夠使BFRP筋在BFRP筋混凝土承壓結(jié)構(gòu)中混凝土部分壓碎前保持完好。

2.2 荷載—位移曲線分析

BFRP筋荷載—位移曲線如圖4所示。BFRP筋在加載至破壞的過程中，B1～B7的荷載—位移曲線均呈現(xiàn)線性關(guān)系，無屈服階段，表明BFRP筋為良好的線彈性材料。不同軸壓速率對(duì)B1～B5和B6,B7兩種不同軸壓速率下試件的荷載—位移曲線無明顯影響。

2.3 應(yīng)力—應(yīng)變曲線分析

BFRP筋的軸壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出達(dá)到某一應(yīng)變前，應(yīng)力—應(yīng)變基本符合線性規(guī)律。在此階段之后，應(yīng)變值突然減小，而此時(shí)的應(yīng)力值尚未達(dá)到極限應(yīng)力。隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變值呈減小趨勢(shì)。這是由于應(yīng)變片貼在兩肋間凸起部位，加載初期，小應(yīng)力下纖維與樹脂粘結(jié)良好，兩者的應(yīng)變協(xié)調(diào)，貼片處的應(yīng)變與筋材整體應(yīng)變保持一致。隨著荷載的不斷增加，筋材的縱向收縮和橫向膨脹導(dǎo)致兩凹肋間的凸起部位有向外鼓曲的趨勢(shì)，由于樹脂的抗彎、抗剪性能較差，當(dāng)荷載到達(dá)某一值后，凸起處的樹脂被壓碎從而喪失對(duì)纖維的約束，纖維順勢(shì)向外鼓曲產(chǎn)生拉應(yīng)變，從而導(dǎo)致壓應(yīng)變的減小。由于樹脂是脆性材料，所以應(yīng)變的減小較為突然，而此時(shí)還未達(dá)到筋材的抗壓強(qiáng)度。隨著荷載的繼續(xù)增加，部分試件迅速到達(dá)破壞，部分試件的貼片處于軸向壓縮和橫向彎曲的共同作用下，應(yīng)變呈不規(guī)則變化直至試件破壞。因此應(yīng)變片測(cè)得的極限應(yīng)變值小于BFRP筋實(shí)際的極限應(yīng)變值。

2.4 破壞模式分析

B1～B5試件以2 mm/s的加載速率加載，發(fā)生劈裂破壞。由高速攝像機(jī)記錄的破壞過程可以看出在加載初期，筋材并無明顯變化。隨著荷載不斷增加，由于試件的橫向變形增大，樹脂與纖維間的橫向拉應(yīng)力增加，首先與粘結(jié)較差的薄弱點(diǎn)出現(xiàn)樹脂與纖維的分離，纖維略向外屈曲，試件縱向出現(xiàn)微裂縫并伴隨清脆連續(xù)的劈裂聲。隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫不斷擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，試件出現(xiàn)多處劈裂，荷載呈直線下降。B6，B7試件以1 mm/s的加載速率加載，發(fā)生剪切破壞。破壞前的現(xiàn)象與B1～B5試件類似，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，伴隨巨大響聲，試件剪切破壞，破壞面與水平方向呈30°～50°。由于加載速率較小，試件破壞前的過程較為平緩，破壞發(fā)生時(shí)更加突然。

觀察BFRP筋試件破壞模式發(fā)現(xiàn)，B1～B5的破壞形式為劈裂破壞，B6，B7的破壞形式為剪切破壞。由于試件的長細(xì)比較小，所有試件均未發(fā)生彎折和彎曲破壞，破壞形式均屬于強(qiáng)度破壞，所得到的結(jié)果能夠較真實(shí)的反映BFRP筋的軸壓性能。

3 結(jié)語

1)BFRP筋的抗壓強(qiáng)度處于430 MPa～560 MPa之間，且極限應(yīng)變均超過9 000 με，說明BFRP筋能夠替代傳統(tǒng)鋼筋用于受壓混凝土柱中。2)BFRP筋的應(yīng)力—應(yīng)變呈線性，破壞突然，為典型的脆性破壞。在對(duì)BFRP筋混凝土柱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮BFRP筋的極限抗壓強(qiáng)度。3)軸壓速率能夠影響B(tài)FRP筋破壞模式，在不同加載速率下分別表現(xiàn)為劈裂破壞和剪切破壞，因此在對(duì)BFRP筋混凝土柱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需考慮服役環(huán)境對(duì)BFRP筋破壞模式的影響。

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Research on axial compression performance of BFRP bars and analysis of its damage model

Lv Zengkui1Li Feng1She Yinpeng2

(1.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.HohaiUniversity,Nanjing210000,China)

The paper has the experimental research on the axial pressure performance of BFRP bars, tests the main dynamic performance of the compressive strength, elastic modulus, and limiting strain of BFRP bars, and analyzes the axial pressure process and damage model for BFRP bars, so as to provide some reference for the engineering application.

BFRP bar, axial compression, end restraint, damage model

1009-6825(2017)21-0033-03

2017-05-18

呂增奎(1992- )，男，在讀碩士； 李 峰(1979- )，男，副教授； 佘殷鵬(1993- )，男，在讀碩士

TU317

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