陳 爽,呂海波,王 磊
(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,南寧 530004;2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;3.賀州學(xué)院,廣西 賀州 542800)
海水拌養(yǎng)珊瑚碎屑混凝土在遠(yuǎn)海島礁建設(shè)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值[1-3],但由于珊瑚混凝土含有的大量鹽分容易引發(fā)鋼筋銹蝕,使珊瑚混凝土的應(yīng)用受到了較多的限制。采用具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕的FRP(fiber reinforced plastics)筋可以有效解決鋼筋銹蝕引發(fā)的的耐久性問(wèn)題[4],但FRP筋與珊瑚混凝土間粘結(jié)行為的研究缺失影響了FRP 筋珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)性能分析及工程應(yīng)用。
FRP筋與鋼筋性能的差異使FRP筋-混凝土的粘結(jié)性能與鋼筋-混凝土的粘結(jié)性能存在明顯不同。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)FRP筋與混凝土的粘結(jié)進(jìn)行了很多試驗(yàn)研究[5-7],但理論研究不多,珊瑚混凝土相關(guān)的理論研究更是空白。已有研究表明,珊瑚混凝土的骨料特征、力學(xué)性能、物理化學(xué)特點(diǎn)等均與普通混凝土存在較大差異[8-10],故其與FRP筋材的粘結(jié)性能尚需深入研究。同時(shí),在工程應(yīng)用中,若FRP筋的錨固長(zhǎng)度不足,則會(huì)引起構(gòu)件剛度降低甚至發(fā)生粘結(jié)破壞,而錨固長(zhǎng)度的理論分析和計(jì)算,離不開(kāi)對(duì)兩者間的粘結(jié)機(jī)理進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究和理論分析。
基于此,本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外已有的FRP筋與混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)理論推導(dǎo),提出了適用于珊瑚混凝土粘結(jié)滑移的連續(xù)曲線(xiàn)本構(gòu)模型,并將該理論模型與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。隨后基于該模型,推導(dǎo)得出粘結(jié)滑移微分方程的解析解,該解從理論上反映出滑移量、粘結(jié)應(yīng)力和筋應(yīng)力隨埋長(zhǎng)的分布情況。進(jìn)而給出了基于粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系的FRP筋在珊瑚混凝土構(gòu)件中的最小錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式。
鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移分析中應(yīng)用最廣泛的是Eligheuaesn等提出BPE模型[11], 該模型分為4段, 如圖1所示, 但此模型與FRP筋的粘結(jié)滑移行為明顯不符。 因此, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和理論研究建立了若干適用于FRP筋的模型, 主要有改進(jìn)的BPE模型、 Malvar模型、 CMR模型和連續(xù)曲線(xiàn)模型等。
圖1 BPE模型Fig.1 Simplified BPE model
Cosenza等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)FRP筋的粘結(jié)滑移曲線(xiàn)不存在水平段[12],故在原BPE模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改,提出了修正的BPE模型(圖2)用于FRP筋的粘結(jié)滑移分析。
圖2 改進(jìn)的BPE模型Fig.2 Improved BPE model
該模型表達(dá)為:
上升段τ/τ1=(s/s1)α,s≤s1;
下降段τ=τ1(1+p-ps/s1),s1
殘余段τ=τ3,s>s3。
式中:α為不大于1的曲線(xiàn)參數(shù)值;p為下降段軟化系數(shù), 由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合取值;τ1、s1為粘結(jié)應(yīng)力極值及相應(yīng)的滑移值;τ3、s3為殘余粘結(jié)應(yīng)力及相應(yīng)的滑移值。 該模型存在以下不足: 一是在峰值應(yīng)力點(diǎn)該曲線(xiàn)模型不光滑連續(xù); 二是下降段為直線(xiàn), 與試驗(yàn)現(xiàn)象不符; 三是殘余段粘結(jié)應(yīng)力為一定值, 無(wú)法反映出FRP筋的殘余粘結(jié)應(yīng)力有規(guī)律波動(dòng)的特性。
1994年,Malvar通過(guò)大量GFRP筋與混凝土間的粘結(jié)性能試驗(yàn)研究,提出了GFRP筋的τ-s曲線(xiàn)本構(gòu)模型[13]。其表達(dá)式為
τm/ft=A+B(1-e-Cσ/ft);
sm=D+Eσ。
式中:τm、sm分別為峰值處粘結(jié)應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的滑移量;ft為混凝土抗拉強(qiáng)度;σ為軸對(duì)稱(chēng)的側(cè)限徑向壓力;A~G為常數(shù), 根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果確定。
該模型雖適用于在相同側(cè)限壓力下的不同種類(lèi)FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能,但在滑移量為0處的斜率為有限值F·(τm/sm),并非無(wú)窮大,與試驗(yàn)結(jié)果存在偏差,且形式較為復(fù)雜,故應(yīng)用較少。
由于在實(shí)際工程應(yīng)用中很少會(huì)允許出現(xiàn)很大的滑移量, 因此, Cosenza等在1995年提出僅考慮曲線(xiàn)上升段的新的CMR曲線(xiàn)模型[14], 其表達(dá)式為
τ/τm=(1-e-s/sr)β。
式中: 為τm峰值粘結(jié)應(yīng)力;sr、β為根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合得到的參數(shù)。
CMR模型形式簡(jiǎn)單,且滑移量為0處的斜率為無(wú)窮大,與試驗(yàn)結(jié)果符合。但由于模型未考慮曲線(xiàn)下降段和殘余段,其應(yīng)用存在一定局限性。
張海霞[15]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和理論研究提出FRP筋-混凝土的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系模型:
上升段τ/τu=2(s/su)2-s/su,s≤su;
下降段τ=s/(p1s-p2),su≤s≤sr;
殘余段τ=τr,s≥sr。
式中:p1、p2為下降段軟化系數(shù);τu、su為粘結(jié)應(yīng)力峰值及相應(yīng)的滑移量;τr、sr為殘余粘結(jié)應(yīng)力及相應(yīng)的滑移量, 以上數(shù)據(jù)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合取值。
該模型除了存在BPE模型的兩個(gè)問(wèn)題外,其初始斜率是一常數(shù),這與粘結(jié)滑移曲線(xiàn)在初始段斜率為無(wú)窮大是相矛盾的,但該模型形式簡(jiǎn)單,并可以得出精確的數(shù)值解。
高丹盈等[16]為了克服以上問(wèn)題,提出了連續(xù)型本構(gòu)關(guān)系模型:
s>su。
式中: Δτ為殘余段粘結(jié)應(yīng)力極大值與極小值之間的差值, Δs為FRP筋肋間距。
該模型的初始斜率為無(wú)窮大,并且在極值點(diǎn)處是光滑連續(xù)的,這與試驗(yàn)現(xiàn)象是相吻合的。然而其下降段數(shù)學(xué)表達(dá)比較復(fù)雜,物理意義不明晰。另外該模型殘余段雖然采用正弦函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)τ-s曲線(xiàn)的波動(dòng),但無(wú)法反映波動(dòng)逐漸衰減的過(guò)程。
鑒于珊瑚混凝土的特殊性質(zhì), 以上模型并不能完全適用于FRP筋-珊瑚混凝土的粘結(jié), 在FRP筋-珊瑚混凝土粘結(jié)滑移試驗(yàn)的基礎(chǔ)上[15-16], 針對(duì)上述模型存在的問(wèn)題,提出了以下粘結(jié)-滑移關(guān)系曲線(xiàn)模型:
上升段τ/τu=2(s/su)1/α-s/su,s≤su;
(1a)
下降段+殘余段
s≥su。
(1b)
式中: Δτ為粘結(jié)應(yīng)力峰值和第一個(gè)波谷之間的粘結(jié)應(yīng)力的差值; Δs為FRP筋肋間距;α、β為考慮FRP筋材類(lèi)型的系數(shù), 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到,本文中建議: CFRP筋取α=2、β=1/25, GFRP筋取α=1.5、β=1/30。
考慮到在實(shí)際工程應(yīng)用中(如計(jì)算筋的錨固長(zhǎng)度),只關(guān)注上升段,而下降段和殘余段一般不予考慮,故此模型僅分為兩段。該模型物理概念明確,形式簡(jiǎn)單易懂,并首次使用正弦衰減函數(shù)模擬殘余段因FRP筋-珊瑚混凝土間的粘結(jié)劣化而導(dǎo)致的粘結(jié)退化過(guò)程,同時(shí)滿(mǎn)足初始斜率為無(wú)窮大、極值處連續(xù)光滑的條件。
本文設(shè)計(jì)了FRP筋-珊瑚混凝土拉拔試件,通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試該模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)筋材種類(lèi)、保護(hù)層厚度、粘結(jié)長(zhǎng)度不同,試件分為4組,每組3個(gè)試件。試件編號(hào)“C6-25-12d”代表“直徑為6 mm的CFRP筋-保護(hù)層厚度25 mm-粘結(jié)長(zhǎng)度為12倍筋直徑”。所有拉拔試件的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為C20,配比為:水泥380 kg、人工海水180 kg、砂830 kg、珊瑚骨料716 kg,實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度平均值為22.5 MPa,其中粗骨料來(lái)自廣西北海潿洲島碎石型珊瑚碎屑;水泥采用廣西興安牌硅酸鹽水泥;FPR筋采用帶肋筋材,CFRP筋平均肋間距1.7d、平均肋高0.02d、極限抗拉強(qiáng)度平均值為2 105 MPa;GFRP筋平均肋間距3.1d、平均肋高0.02d、極限抗拉強(qiáng)度平均值為607 MPa;筋材表面形式如圖3所示。各組試件的相對(duì)保護(hù)層厚度較小,拉拔試驗(yàn)均為拔出破壞,未出現(xiàn)混凝土劈裂現(xiàn)象。
試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,為體現(xiàn)出混凝土保護(hù)層厚度影響,試件并非中心拉拔,試件細(xì)節(jié)和測(cè)試裝置如圖4所示。拉拔試驗(yàn)在UTM5305型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)的要求對(duì)拉拔試件進(jìn)行勻速分級(jí)加載,加載速率為0.3 mm/min,加載過(guò)程持續(xù)3~4 min。試件編號(hào)和整理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(平均值)見(jiàn)表1。
試驗(yàn)所得的τ-s曲線(xiàn)可大致分為4個(gè)階段: 第一階段是微滑移階段, 在拔出試驗(yàn)初期, 滑移量小, 曲線(xiàn)接近線(xiàn)性; 第二階段是滑移階段, 滑移量隨荷載的增加而增加, 在達(dá)到峰值前, 滑移曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性趨勢(shì)逐漸趨于平緩;第三階段為下降階段,隨著筋橫肋逐漸被磨損,楔塊效應(yīng)減弱,摩擦力也逐漸減小,曲線(xiàn)迅速進(jìn)入下降階段, 滑移量大幅增加, 直到滑移量接近FRP筋的一個(gè)肋間距, 這對(duì)應(yīng)一個(gè)橫肋被拔出的過(guò)程;第四階段是殘余階段, 在這一階段, 滑移繼續(xù)增加, 而曲線(xiàn)呈現(xiàn)往復(fù)上升和下降的衰減過(guò)程, 同時(shí)峰值應(yīng)力逐漸減小, 直到筋完全拔出。 雖然橫肋不斷被磨損, 但殘余機(jī)械力和摩擦力仍然提供了一定的粘結(jié)力。
圖3 FRP筋的表面形式Fig.3 Surface condition of FRP bars
圖4 拉拔試驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Setup of specimen in pullout test
試件編號(hào)直徑/mm保護(hù)層厚度/mm粘結(jié)長(zhǎng)度/mmτu/MPaΔτ/MPasu/mm破壞模式 C6-25-12d625724.6513.3593.077拔出破壞C6-30-8d6304813.54911.7563.243拔出破壞G6-25-12d625723.6332.7656.814拔出破壞G6-30-8d630488.8098.2915.961拔出破壞
將各組試驗(yàn)參數(shù)帶入本文提出的本構(gòu)模型式(1)中得到理論粘結(jié)-滑移曲線(xiàn),并與試驗(yàn)曲線(xiàn)(每組抽取一個(gè)試件)進(jìn)行對(duì)比(圖5、 圖6)。其中, 實(shí)線(xiàn)為本構(gòu)模型計(jì)算繪制所得, 散點(diǎn)為試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
圖5 CFRP筋理論曲線(xiàn)與典型試驗(yàn)曲線(xiàn)的對(duì)比Fig.5 Fitted curves versus experimental curves of CFRP bars
圖6 GFRP筋理論曲線(xiàn)與典型試驗(yàn)曲線(xiàn)的對(duì)比Fig.6 Fitted curves versus experimental curves of GFRP bars
可見(jiàn),該模型曲線(xiàn)與FRP筋-珊瑚混凝土粘結(jié)-滑移試驗(yàn)曲線(xiàn)各段吻合程度均較高。其中,上升段的吻合程度高于下降段的曲線(xiàn),殘余段GFRP筋的曲線(xiàn)相較于CFRP筋要更加吻合。同種筋材情況下,混凝土保護(hù)層厚度和錨固長(zhǎng)度的改變對(duì)吻合程度影響不大。
從FRP筋-珊瑚混凝土粘結(jié)試件中取微分單元dx,其簡(jiǎn)化的受力情況如圖7所示。
平衡方程為
圖7 基本微分單元體受力狀態(tài)Fig.7 Stress of a basic differential unit
(2)
另外,從物理意義上看,相對(duì)滑移s(x)為該點(diǎn)處FRP筋與混凝土滑移的差值,即
s(x)=sf(x)-sc(x),
式中:Af、Ac分別為FRP筋和混凝土截面面積;σc、εc分別為混凝土正應(yīng)力和應(yīng)變;σf、εf分別為FRP筋正應(yīng)力和應(yīng)變;τ(x)為該單元處平均粘結(jié)應(yīng)力;df為筋直徑;Ef為FRP筋彈性模量;Ec為珊瑚混凝土彈性模量。
由以上各式推導(dǎo)可得
(3)
令n=Ef/Ec、ρ=Af/Ac, 再令K=4/Efdf(1+nρ)(K為系數(shù))。式(3)可記為
(4)
上式即為粘結(jié)-滑移微分方程,該式給出了FRP筋與珊瑚混凝土相對(duì)滑移量和粘結(jié)應(yīng)力的相互關(guān)系,從理論上建立起了相對(duì)滑移量和粘結(jié)應(yīng)力和變量x之間的關(guān)系。
從粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系模型式(1)出發(fā), 求解粘結(jié)-滑移微分方程式(4)。
① 上升段。當(dāng)s≤su時(shí),將式(1a)代入式(4)得
(5)
移項(xiàng)分離變量后兩邊積分,即
得
(6)
將上式兩邊積分,得
(7)
其中, 符號(hào)函數(shù)sgn(s)的取值為: 當(dāng)s<0時(shí), 取-1; 當(dāng)s>0時(shí), 取1; 當(dāng)s=0時(shí), 取0。 由x=0,s=0,可得c2=0,將式(7)求反函數(shù)可得
(8)
將λ1、λ2、K代入式(8)可得:
(9)
s(x)={R·[1-tan2(Qx)]}α/(1-α)。
(10)
式(10)即為微分方程的解析解。它反映了粘結(jié)滑移量s隨埋長(zhǎng)x的變化關(guān)系,將該式代入式(1a),得
(11)
由式(2)第2式兩邊積分并移項(xiàng)并代入式(11),可得
{R·[1-tan2(Qx)]}α/(1-α)·
{R·[1-tan2(Qx)]-1}。
(12)
式(10)~(12)即為本文提出的粘結(jié)-滑移模型的上升段所對(duì)應(yīng)的解析解。通過(guò)該解分別表示了各級(jí)荷載作用下不同埋深處的滑移量、粘結(jié)應(yīng)力及FRP筋的截面正應(yīng)力。
② 下降段+殘余段。當(dāng)s≥su時(shí),將式(1b)代入式(4),粘結(jié)-滑移微分方程可記為
此方程無(wú)法求得精確的解析解,但在實(shí)際工程中,結(jié)構(gòu)構(gòu)件不允許發(fā)生太大的粘結(jié)滑移,故在后期推導(dǎo)FRP筋-珊瑚混凝土的理論錨固長(zhǎng)度時(shí)不會(huì)產(chǎn)生影響。
無(wú)論是美國(guó)的《FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工指南》(ACI440.1R—03),還是日本的《連續(xù)纖維筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工指南》,都采用了基本錨固長(zhǎng)度乘以反映各種影響因素的FRP筋錨固長(zhǎng)度修正系數(shù)來(lái)得到FRP筋-混凝土結(jié)構(gòu)錨固長(zhǎng)度。這些系數(shù)包括頂部修正系數(shù)Kt、 保護(hù)層厚度修正系數(shù)Kc、 材料修正系數(shù)Km、 材料安全系數(shù)Kg等。
由于實(shí)際工程中一般不允許出現(xiàn)太大的相對(duì)滑移,故只考慮本文推薦的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系的上升段。當(dāng)s=su時(shí), 埋長(zhǎng)x的值即為τ-s上升段錨固長(zhǎng)度的限值,此時(shí)FRP筋與珊瑚混凝土之間的滑移量達(dá)到限值。由式(7)可得:
將λ1、λ2代入上式可得:
則考慮各項(xiàng)影響因素的FRP筋-珊瑚混凝土基本錨固長(zhǎng)度為
lbd=Kt·Km·Kc·Ka·lm。
(13)
錨固長(zhǎng)度最小值為
Ld=Kg·lbd。
(14)
式(14)即為根據(jù)本文推薦的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)得出的FRP筋-珊瑚混凝土錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式。
珊瑚混凝土的骨料硬度、彈性模量較低、密度較小,屬于輕骨料混凝土,與傳統(tǒng)混凝土區(qū)別較大,故筆者建議引入珊瑚混凝土修正系數(shù)Ka。通過(guò)對(duì)拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算,與ACI440規(guī)程計(jì)算所得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,從而給出珊瑚混凝土修正系數(shù)的取值建議。
以試件組C6-25-12d作為算例: 該組試件錨固長(zhǎng)度12d, 混凝土保護(hù)層厚度25 mm, 試驗(yàn)中均發(fā)生滑移破壞, 所得極限粘結(jié)應(yīng)力峰值和相應(yīng)的滑移量平均值為τu=4.561 MPa,su=3.077 mm。 CFRP筋極限抗拉強(qiáng)度值ffu=2 105 MPa, 彈性模量Ef=128 GPa, 直徑df=6 mm。 珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值為fc=22.5 MPa, 彈性模量Ec=23.7 MPa。
① 按本文推導(dǎo)所得公式計(jì)算。
則基本錨固長(zhǎng)度為
lbd=Kt·Km·Kc·Ka·lm=209·Ka,
其中各系數(shù)按照ACI440規(guī)程取值(Kt=1.3、Km=1.15、Kc=1.0)。
② 按照ACI440規(guī)程中對(duì)FRP直筋在混凝土構(gòu)件中的最小基本錨固長(zhǎng)度規(guī)定:取20df與380 mm中的較大值,本文取380 mm。
將① 、② 的取值進(jìn)行對(duì)比,則Ka=380/209≈1.8。
采用同樣的方法計(jì)算,各組拉拔試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得珊瑚混凝土修正系數(shù)見(jiàn)表2。
表2 珊瑚混凝土修正系數(shù)計(jì)算值
可見(jiàn),根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與ACI440規(guī)范進(jìn)行對(duì)比得到的珊瑚混凝土修正系數(shù)取值離散性較大:CFRP筋的試件明顯大于GFRP筋,保護(hù)層厚度大、 粘結(jié)長(zhǎng)度短的試件對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)更大。 但計(jì)算結(jié)果仍然具有一定意義:所有試驗(yàn)組的修正系數(shù)均大于等于1.0,這說(shuō)明因?yàn)樯汉骰炷僚c普通混凝土材料性質(zhì)的區(qū)別,的確會(huì)導(dǎo)致前者與FRP筋的錨固長(zhǎng)度要高于后者,在計(jì)算基本錨固長(zhǎng)度時(shí)引入珊瑚混凝土修正系數(shù)是有必要的。ACI規(guī)范中認(rèn)為FRP筋的高拉伸強(qiáng)度在錨固中不能完全發(fā)揮[18],同時(shí)考慮到FRP筋材之間的差別以及實(shí)際工程應(yīng)用中的安全儲(chǔ)備,故本文推薦珊瑚混凝土修正系數(shù)取值Ka=1.5。
(1) 鑒于目前各種粘結(jié)滑移本構(gòu)模型在描述FRP筋-珊瑚混凝土粘結(jié)滑移行為時(shí)的局限性,在前人研究基礎(chǔ)上,本文提出了適用性更好的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型。該模型可以較好地模擬殘余段粘結(jié)應(yīng)力衰減的規(guī)律。
(2)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,該模型的上升段擬合度非常高,下降段+殘余段GFRP筋的擬合程度高于CFRP筋。
(3)考慮到珊瑚混凝土與普通混凝土的區(qū)別,提出了適用于珊瑚混凝土的FRP筋最小錨固長(zhǎng)度公式,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果與國(guó)外現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算的對(duì)比分析引入珊瑚混凝土修正系數(shù)。為FRP筋與珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用提供了重要的理論參考。