馬高， 齊亮

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 橋梁結(jié)構(gòu)安全控制湖南省工程實(shí)驗(yàn)室)

1 前言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber-Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)以其優(yōu)良的性能如輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕和易于施工等特點(diǎn)，在過去20年里被廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。目前，應(yīng)用較廣泛的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要有碳纖維(Carbon FRP, CFRP)、玻璃纖維(Glass FRP, GFRP)和芳綸纖維(Aramid FRP, AFRP)，但是這些纖維材料存在如下缺點(diǎn)：CFRP成本較高，高性能CFRP依賴進(jìn)口；AFRP和GFRP力學(xué)性能相對(duì)較差，耐久性問題比較突出。而玄武巖纖維(BFRP)是玄武巖石料在高溫(1 450～1 500 ℃)熔融后，通過高速拉制而成的高性能無機(jī)纖維，具有較高的抗拉強(qiáng)度、低廉的價(jià)格以及良好的耐高溫、耐久性能?；诖耍撐倪x用BFRP作為加固材料。 目前已有不少針對(duì)FRP約束混凝土軸壓力學(xué)性能的試驗(yàn)和理論研究成果，這些研究大部分都集中在FRP對(duì)完好混凝土試件強(qiáng)度和延性的提高上，僅有少數(shù)學(xué)者關(guān)注初始損傷對(duì)FRP約束混凝土力學(xué)性能的影響，而大量遭受地震損傷的結(jié)構(gòu)由于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)原因不可能全部重建，對(duì)其采用FRP進(jìn)行加固后再使用是一種有效的解決方法，因此研究FRP約束損傷混凝土的力學(xué)性能具有重要意義。

綜上發(fā)現(xiàn)：已有研究成果對(duì)損傷混凝土柱經(jīng)FRP加固后的軸壓力學(xué)行為還缺少統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，對(duì)FRP加固混凝土柱的軸壓力學(xué)性能受初始損傷程度的影響規(guī)律還缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。因此，該文研究不同層數(shù)BFRP對(duì)3種不同初始應(yīng)力損傷水平混凝土圓柱體試件的軸壓力學(xué)性能的影響，并在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出一個(gè)考慮初始損傷修正的FRP約束混凝土試件的強(qiáng)度模型和應(yīng)變模型。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件準(zhǔn)備

表1 試件參數(shù)

注：MCR為修正約束比。

表2 混凝土配合比

試驗(yàn)中使用的玄武巖纖維單向布編織密度4.5，單位面積質(zhì)量為329 g/m2，環(huán)氧樹脂型號(hào)為JN-C3P，A、B兩種組分按100∶40的質(zhì)量比配制使用。參考ASTM D3039并結(jié)合試驗(yàn)條件，將玄武巖纖維單向布手工制作成長(zhǎng)250 mm、寬25 mm的BFRP片材，并在片材兩端分別用50 mm×25 mm×1 mm的鋁片進(jìn)行端部加固，對(duì)BFRP片材進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)得到的力學(xué)性能如表3所示。計(jì)算BFRP抗拉強(qiáng)度和彈性模量時(shí)使用的是玄武巖纖維布的實(shí)際厚度(tfrp=0.126 mm)，由稱重法獲得。約束混凝土試件采用的BFRP層數(shù)分別為1、3、5層，根據(jù)Mirmiran定義的修正約束比(Modified Confinement Ratio，MCR)計(jì)算，1、3、5層可分別對(duì)應(yīng)弱約束、中等約束和強(qiáng)約束3種約束情況。

表3 BFRP力學(xué)性能

包裹BFRP之前先進(jìn)行試件表面的清潔、打磨等基底處理工作。為了保證最后粘貼工作的精度，在粘貼之前將玄武巖纖維按預(yù)定的長(zhǎng)度(BFRP包裹的層數(shù)加上1/4圓周長(zhǎng)搭接長(zhǎng)度)裁剪好，并充分浸潤(rùn)粘貼膠后沿試件環(huán)向進(jìn)行包裹，在這個(gè)過程中使用滾筒擠出多余的膠以及可能存在的氣泡。

2.2 加載和測(cè)量裝置

為了測(cè)量試件的環(huán)向應(yīng)變，在圓柱體試件的中部沿環(huán)向均勻粘貼4個(gè)應(yīng)變片，布置位置如圖1所示，應(yīng)變片敏感柵尺寸為15 mm×3 mm。在試件兩端固定圓形鋼箍，上下鋼箍標(biāo)距為200 mm，沿鋼箍四周均勻布置4個(gè)位移傳感器以測(cè)量試件的軸向應(yīng)變。采用10 000 kN電液伺服壓力機(jī)進(jìn)行加載，加載過程采用位移控制。軸向壓力、位移計(jì)以及應(yīng)變片的數(shù)據(jù)由電腦實(shí)時(shí)采集。加載裝置示意圖與位移傳感器布置如圖2所示。

圖1 應(yīng)變片布置圖

2.3 預(yù)制損傷與包裹BFRP

為了達(dá)到不同的初始損傷水平(圖3)，先將試件加載至不同的應(yīng)力狀態(tài)(D1、D2、D3)后卸載，卸載結(jié)束后小心地將試件從壓力機(jī)上轉(zhuǎn)移，以防止對(duì)試件造成二次損傷。

圖2 加載裝置及位移計(jì)布置圖(單位：mm)

圖3 不同初始損傷程度試件狀態(tài)

從圖3可以看出：隨著損傷程度加深至D2和D3，試件表面的裂縫數(shù)目逐漸增多，裂縫長(zhǎng)度增大，并出現(xiàn)表層混凝土剝落和局部破碎的情況。

對(duì)18個(gè)試件分別預(yù)加載至D1、D2、D3之后，再以2個(gè)試件一組分別包裹1、3、5層BFRP。為了揭示初始損傷對(duì)BFRP約束混凝土軸壓力學(xué)性能的影響，6個(gè)無初始損傷的試件也以2個(gè)為一組分別包裹1、3、5層BFRP，詳見表1。在包裹BFRP之前，先清理初始損傷試件表面剝離的混凝土，并用早強(qiáng)高性能砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，以保證試件表面的平整。BFRP布包裹完成后，在試件的兩個(gè)端面分別再用30 mm寬BFRP條帶包裹3層用作端部加固，以防止試件端部過早發(fā)生局部破壞。BFRP約束后的試件在室內(nèi)放置7 d后進(jìn)行軸壓試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

表4 FRP約束試件軸壓力學(xué)性能參數(shù)

3.1 無初始損傷試件

素混凝土試件(PC)及BFRP約束完好試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 無初始損傷試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4可以看出：① 素混凝土的峰值強(qiáng)度為37.7 MPa，相對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)? 676 με；② 隨著FRP約束層數(shù)的增加，試件的約束效果隨之提高；③ 圖中BFRP約束試件的曲線可以分成3個(gè)階段：第一個(gè)線性階段，BFRP約束試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與素混凝土試件類似，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增大，此時(shí)素混凝土的橫向膨脹很小，BFRP還不能發(fā)揮其約束作用；當(dāng)應(yīng)力接近素混凝土峰值強(qiáng)度時(shí)，試件的裂縫開始迅速發(fā)展，橫向膨脹增大，此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入非線性的過渡階段，同時(shí)BFRP開始工作，BFRP層數(shù)越多，完全發(fā)揮作用需要的時(shí)間越長(zhǎng)，過渡階段的曲線越長(zhǎng)；當(dāng)BFRP完全工作時(shí)，試件的強(qiáng)度和延性又開始線性增加，到達(dá)第三個(gè)階段。這個(gè)階段BFRP的環(huán)向拉應(yīng)力隨著軸向應(yīng)力的增加而增大，當(dāng)BFRP的拉應(yīng)力超過其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂，整個(gè)試件隨之突然失效。如圖5(a)所示，試件的破壞形態(tài)是BFRP在試件中部發(fā)生斷裂，內(nèi)部混凝土被壓碎。

3.2 BFRP約束初始損傷試件

BFRP約束初始損傷試件的破壞形態(tài)如圖5(b)所示，其破壞形態(tài)與BFRP約束完好混凝土試件類似。

圖5 破壞形態(tài)

圖6為BFRP約束初始損傷試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖6可以發(fā)現(xiàn)：不同初始損傷試件的峰值強(qiáng)度和極限應(yīng)變都高于素混凝土試件，相比于BFRP約束完好混凝土試件，隨著損傷程度的增加，峰值強(qiáng)度逐漸降低，BD1L5、BD2L5、BD3L5的約束效果分別為2.0、1.9和1.8，是BFRP約束完好試件峰值強(qiáng)度的0.96、0.90和0.84倍，因此試件的初始損傷程度會(huì)影響其峰值強(qiáng)度。但是極限應(yīng)變卻沒有顯示出與峰值強(qiáng)度相同的規(guī)律，從表4和圖6可知：隨著初始損傷程度的加深，同一約束強(qiáng)度試件的極限應(yīng)變差異很小。

Demers and Neale提到了在有初始損傷的情況下，圓柱體試件的初始彈性模量會(huì)有明顯的降低。在此次試驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)了該規(guī)律。從圖6可以看出BFRP約束初始損傷試件的初始彈性模量相比于素混凝土試件有明顯減小，且隨著損傷程度的增加有降低的趨勢(shì)，因此，在實(shí)際工程中采用FRP對(duì)受地震損傷鋼筋混凝土柱進(jìn)行加固時(shí)，其側(cè)向剛度不能得到修復(fù)。

3.3 強(qiáng)度和應(yīng)變模型

約束系數(shù)對(duì)于研究FRP約束混凝土的力學(xué)性能是一個(gè)重要的參數(shù)，已有的FRP約束完好混凝土的強(qiáng)度模型和應(yīng)變模型大多采用下述形式：

圖6 不同層數(shù)BFRP約束有初始損傷試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(1a)

(1b)

(2)

式中：ffrp為FRP材料的抗拉強(qiáng)度；t為FRP材料的厚度；d為圓柱體試件直徑。

BFRP對(duì)試件的環(huán)向約束應(yīng)力如表4所示。

BFRP約束完好混凝土試件的強(qiáng)度模型和應(yīng)變模型擬合如圖7所示，約束有效性系數(shù)k1和應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)系數(shù)k2分別為2.85和15.53。

圖7 擬合結(jié)果

表5、6分別比較了上述模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)所得強(qiáng)度值和極限應(yīng)變值的誤差。為了分析上述擬合模型的準(zhǔn)確度，該文采用Yan and Chouw提出的模型精度分類標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估。對(duì)于強(qiáng)度模型，可將準(zhǔn)確度分為3類：當(dāng)模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差不大于15%時(shí)，認(rèn)為擬合精度良好；誤差大于15%但不超過30%時(shí)，擬合結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確；當(dāng)誤差值大于30%時(shí)，則認(rèn)為擬合模型不準(zhǔn)確。

表5 強(qiáng)度模型與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

注：誤差=[(預(yù)測(cè)值-試驗(yàn)值)/試驗(yàn)值]×100%。下同。

表6 應(yīng)變模型與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

根據(jù)表5、6的分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)該文擬合的BFRP約束完好試件的強(qiáng)度模型具有良好的準(zhǔn)確度，最大誤差為7.4%。而對(duì)于應(yīng)變模型，其誤差要大于強(qiáng)度模型，最大誤差為20.4%。

3.4 考慮初始損傷修正的分析模型

對(duì)于BFRP約束損傷混凝土試件，可引入?yún)?shù)αD和βD分別來考慮初始損傷對(duì)FRP約束完好混凝土試件峰值強(qiáng)度和極限應(yīng)變的影響，修正之后的模型表達(dá)式如下：

(3a)

(3b)

對(duì)于不同損傷程度的混凝土試件，GB 50011-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出混凝土單軸受壓損傷演化參數(shù)可由下式確定：

(4a)

(4b)

(4c)

(4d)

由表4可知：隨著初始損傷程度的增加，BFRP約束試件的峰值強(qiáng)度逐漸降低，因此可以推測(cè)αD與dc存在一定相關(guān)性，而初始損傷程度的不同對(duì)BFRP約束試件的極限應(yīng)變影響很小，因此βD的值取為1。不同損傷程度的BFRP約束試件的強(qiáng)度影響系數(shù)αD與dc的線性擬合結(jié)果如圖8所示，因此，有初始損傷試件的峰值強(qiáng)度和極限應(yīng)變影響系數(shù)αD和βD的表達(dá)形式如下：

αD=1-0.179dc

(5a)

βD=1

(5b)

圖8 αD與dc線性擬合結(jié)果

表7分別給出了考慮初始損傷影響的強(qiáng)度模型和應(yīng)變模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。由表7可知：該文提出的強(qiáng)度模型具有良好的精度，最大誤差為9.6%；對(duì)于5層BFRP約束損傷試件，應(yīng)變模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好，最大誤差為8.8%；而對(duì)于1、3層BFRP約束損傷試件，應(yīng)變模型的誤差增大，最大誤差為23.3%。

表7 修正的強(qiáng)度、應(yīng)變模型與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

4 結(jié)論

通過對(duì)24個(gè)BFRP約束完好與初始損傷混凝土圓柱體和2個(gè)素混凝土圓柱體試件的軸壓試驗(yàn)，研究了BFRP層數(shù)與初始損傷程度對(duì)FRP約束混凝土圓柱體軸壓力學(xué)性能的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1) 通過BFRP約束，完好混凝土試件與初始損傷混凝土試件的強(qiáng)度和延性都能得到顯著提高，隨著BFRP層數(shù)的增加，試件強(qiáng)度和延性的提高越大。

(2) 初始損傷對(duì)BFRP約束混凝土試件的峰值強(qiáng)度有影響，強(qiáng)度影響系數(shù)αD與混凝土單軸受壓損傷演化參數(shù)dc具有較好的線性關(guān)系，隨著初始損傷程度的增大，試件強(qiáng)度的提高越小，但是峰值強(qiáng)度仍然高于素混凝土試件；初始損傷對(duì)BFRP約束混凝土試件的極限應(yīng)變影響很小。

(3) BFRP約束完好與初始損傷混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似，都是由兩個(gè)線性階段中間由一個(gè)非線性的過渡階段連接而成，初始損傷會(huì)使試件的初始彈性模量降低。

(4) 該文提出的考慮初始損傷修正系數(shù)的強(qiáng)度模型和應(yīng)變模型可以較好地預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，但是由于此次試驗(yàn)考慮的BFRP層數(shù)和初始損傷工況有限，該模型還需要更多試驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步驗(yàn)證。