應(yīng)宗豪，高劍平，2，涂序紀(jì)

（1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.華東交通大學(xué) 土木工程國家級試驗(yàn)教學(xué)示范中心，江西 南昌 330013）

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）[1-2]以其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注和研究。當(dāng)前我國正在大力推進(jìn)“一帶一路”倡議和海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，橋梁工程面臨超大跨度、經(jīng)久耐用、快速架設(shè)等核心需求?；谏鲜霰尘?，本文設(shè)計(jì)制作了不銹鋼帶箍增強(qiáng)玻璃纖維編織纏繞管（PSSH-BWFRP）約束混凝土柱。BWFRP管是一種新型的電力設(shè)施管道，以熱固性樹脂為基體，以無堿玻璃纖維無捻粗紗為增強(qiáng)材料，并通過橫向與縱向相互交錯(cuò)在線編織纏繞拉擠成型[3]，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)。PSSH-BWFRP約束混凝土柱是在BWFRP管混凝土柱的外圍環(huán)箍一定間距的不銹鋼帶箍（見圖1），再通過扭矩扳手對不銹鋼帶箍施加初始預(yù)應(yīng)力，達(dá)到對柱內(nèi)混凝土施加主動(dòng)約束[4]的目的。由于被動(dòng)約束混凝土的約束材料[5-8]是在混凝土發(fā)生一定變形之后才開始發(fā)揮作用，存在應(yīng)力滯后現(xiàn)象，且材料力學(xué)性能未得到充分發(fā)揮利用，而主動(dòng)約束使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，進(jìn)一步發(fā)揮材料的力學(xué)性能，有效避免應(yīng)力滯后。目前可以通過對高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)[9]、FRP[10]、鋼帶[11]、鋼套箍[12]等施加預(yù)應(yīng)力，從而對混凝土進(jìn)行主動(dòng)約束。相對于上述幾種主動(dòng)約束混凝土材料，不銹鋼帶箍克服了預(yù)應(yīng)力施加繁瑣、耐久性差、不可后續(xù)補(bǔ)加預(yù)應(yīng)力、施工不便等問題。本文對PSSH-BWFRP約束混凝土短柱進(jìn)行了初步探索性研究，通過軸壓性能試驗(yàn)，分析不銹鋼帶箍間距和預(yù)應(yīng)力水平對其軸壓性能的影響規(guī)律。

圖1 BWFRP管和不銹鋼帶箍

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了6根PSSH-BWFRP約束混凝土柱（PB）作為試驗(yàn)組試件，3根混凝土柱（PC）和1根BWFRP約束混凝土柱（BC）作為對比組試件。試件內(nèi)徑均為200 mm、高度均為500 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。研究參數(shù)為預(yù)應(yīng)力水平α（不銹鋼帶箍實(shí)際施加應(yīng)變與不銹鋼帶箍屈服應(yīng)變的比值）和不銹鋼帶箍間距s，Neu為承載力試驗(yàn)值；Δ為峰值荷載對應(yīng)的峰值位移；K為承載力提高系數(shù)：K=Ni/N0，Ni為PSSH-BWFRP約束混凝土柱極限承載力試驗(yàn)值，N0為BC柱極限承載力試驗(yàn)值。不銹鋼帶箍安裝定位后，通過扭矩扳手扭緊高強(qiáng)螺栓對不銹鋼帶箍施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力水平通過粘貼在不銹鋼帶箍上的4個(gè)應(yīng)變片的平均應(yīng)變來控制。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)及力學(xué)性能

1.2 材料力學(xué)性能

本試驗(yàn)采用的BWFRP管內(nèi)徑200 mm、壁厚5 mm，其力學(xué)性能指標(biāo)見表2。所用鋼帶箍為304不銹鋼，規(guī)格為201～213 mm，厚×寬=1.0 mm×24 mm，螺桿×長度=M8×80 mm。制作了3個(gè)長度為200 mm、寬厚比為8∶1的標(biāo)準(zhǔn)試件（見圖2），并在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（見圖3），獲得了不銹鋼帶箍的材料力學(xué)性能（見表3）。

表2 BWFRP管材料力學(xué)性能

圖2 不銹鋼帶箍材性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件

圖3 不銹鋼帶箍拉伸試驗(yàn)

表3 不銹鋼帶箍材料力學(xué)性能

1.3 加載方案與測量方案

加載裝置為湘潭大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中心10 000 kN多功能結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用力和位移混合控制、單調(diào)靜力加載方式。首先采用力控制，每級加載值為預(yù)估極限承載力的1/10，當(dāng)加載至預(yù)估極限承載力的75%左右時(shí)，每級加載值減小到預(yù)估極限承載力的1/15。

每級加載持荷3 min，同時(shí)采集記錄數(shù)據(jù)，加載速率為0.5 kN/s，當(dāng)顯示荷載增幅開始變小時(shí)，說明混凝土柱已接近極限狀態(tài)，此時(shí)調(diào)整為位移控制加載，加載速率為0.1 mm/s，當(dāng)構(gòu)件發(fā)生嚴(yán)重鼓曲變形或發(fā)生脆性破壞或荷載下降至峰值荷載75%附近停止加載。分別在壓力機(jī)下承壓板4個(gè)角各布置1個(gè)機(jī)電位移計(jì)，測量試件的軸向相對位移。在PSSH-BWFRP混凝土柱試件中部相鄰的2個(gè)不銹鋼帶箍上各布置3個(gè)鋼筋應(yīng)變片，用于監(jiān)測不銹鋼帶箍在整個(gè)試驗(yàn)過程中的受力情況。試驗(yàn)裝置及測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置及測點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過程與破壞形態(tài)

混凝土柱（PC）在加載后期因中部區(qū)域出現(xiàn)多條豎向貫穿裂縫而破壞；BWFRP管約束混凝土柱（BC）中下部出現(xiàn)鼓曲，最終因玻璃纖維撕裂，內(nèi)部混凝土壓碎涌出而破壞。6個(gè)PSSH-BWFRP約束混凝土短柱的破壞過程和破壞形態(tài)類似，如圖5所示。

圖5 試件典型破壞形態(tài)

以PB-S1-P3為例，其破壞過程與破壞形態(tài)如下：加載初期，試件外觀無明顯變化；隨著荷載增大至3500 kN時(shí)，BWFRP偶爾發(fā)出“嘶嘶”的響聲，原來呈淺綠色的BWFRP管的中上部開始泛白，并且泛白區(qū)域緩慢擴(kuò)大；繼續(xù)加載，由于混凝土內(nèi)部裂縫不斷開展，試件出現(xiàn)中上部稍微外鼓，此時(shí)不銹鋼帶箍的應(yīng)變值亦有明顯增加，繼續(xù)加載至5000 kN，突然“嘭”的一聲，試件中上部的不銹鋼帶箍斷裂，此時(shí)承載力沒有下降；繼續(xù)加載至極限荷載時(shí)，再次發(fā)出“嘭”的一聲巨響，BWFRP管在不銹鋼帶箍斷裂處像“炸裂”一樣局部斷裂，壓潰碎裂的混凝土從裂口處涌出而破壞。

2.2 荷載-位移曲線

在不同不銹鋼帶箍間距與預(yù)應(yīng)力水平條件下，各試件的荷載-位移曲線如圖6所示。

圖6 各試件的荷載-軸向位移曲線

由圖6可見，在不同不銹鋼帶箍間距與預(yù)應(yīng)力水平條件下，各試件的荷載-位移曲線形狀大體相似，都是由3段直線相接而成，可分為線彈性段、彈塑性段和下降段。但是，各條曲線的彈塑性拐點(diǎn)位置、峰值荷載、峰值位移、極限位移等均不相同。

在加載初期，各試件的軸向應(yīng)變與荷載基本呈線性遞增關(guān)系，在荷載不大時(shí)，線彈性段基本重合。隨著荷載逐漸增大，各曲線分別在不同荷載處開始出現(xiàn)拐點(diǎn)，沿著斜率略為降低的另一條“直線”（近似直線）發(fā)展直至峰值荷載。原因在于：隨著荷載增大，核心混凝土內(nèi)部微裂縫開展、擴(kuò)張，而此時(shí)混凝土橫向膨脹尚小，BWFRP的被動(dòng)約束作用尚未開始發(fā)揮作用，因此PSSH-BWFRP約束混凝土柱的軸向抗壓剛度有所降低，表現(xiàn)在曲線上就是線彈性段出現(xiàn)拐點(diǎn)開始進(jìn)入彈塑性階段。超過峰值荷載后，隨著荷載降低，軸向應(yīng)變繼續(xù)增加，直至達(dá)到極限位移，下降段各條曲線的陡度基本一致。

2.3 不銹鋼帶箍的荷載-應(yīng)變曲線

圖7為試驗(yàn)組6個(gè)試件不銹鋼帶箍的荷載-應(yīng)變曲線，可以用來近似地表征荷載與試件橫向膨脹變形之間的關(guān)系。

圖7 各試件的不銹鋼帶箍荷載-應(yīng)變曲線

由圖7可見，不銹鋼帶箍的荷載-應(yīng)變曲線與圖6類似，也分為3個(gè)發(fā)展階段。加載初期，試件處于彈性受力階段，泊松比是彈性常數(shù)，所以橫向變形與軸向變形基本成正比；隨著荷載加大，混凝土內(nèi)部微裂縫不斷開展，橫向變形與軸向變形之比增大，表現(xiàn)在曲線族上就是出現(xiàn)了第1個(gè)拐點(diǎn)，第2段直線向偏向橫軸（應(yīng)變）方向發(fā)展，說明相對于第1階段，橫向膨脹變形的發(fā)展加速；峰值荷載后，內(nèi)部混凝土裂縫仍在發(fā)展，所以橫向膨脹也在進(jìn)一步發(fā)展，不銹鋼帶箍應(yīng)變持續(xù)增長。不銹鋼帶箍間距對荷載-應(yīng)變曲線影響比較大，而預(yù)應(yīng)力水平的影響很小。

3 軸壓性能分析

3.1 承載力分析

相比于混凝土短柱，由于BWFRP管對核心混凝土提供了較大的約束作用，相比于BWFRP管約束混凝土柱，PSSHBWFRP約束混凝土柱的極限承載力會(huì)因不銹鋼帶箍間距和預(yù)應(yīng)力水平的變化有不同程度的提高。

各試件的極限承載力提高系數(shù)K見表1，分析可知：

（1）當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平為0.20時(shí)，不銹鋼帶箍間距為90、60mm的試件承載力較BC分別提高了7.7%和27.1%；當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平為0.35時(shí)，不銹鋼帶箍間距為90、60 mm的試件承載力較BC分別提高了15.7%和36.9%；當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平為0.50時(shí)，不銹鋼帶箍間距為90、60 mm的試件承載力較BC分別提高了13.5%和33.2%?？梢?，在相同的預(yù)應(yīng)力水平下，不銹鋼帶箍間距越小，極限承載力越高，因?yàn)椴讳P鋼帶箍間距越小，試件未受到約束的部分越少，整體約束效果越好。

（2）當(dāng)不銹鋼帶箍間距為60 mm時(shí)，預(yù)應(yīng)力水平從0.20增大至0.35，承載力增幅為7.7%；而預(yù)應(yīng)力水平從0.35增大至0.50時(shí)，承載力降幅為2.7%。當(dāng)不銹鋼帶箍間距為90 mm時(shí)，預(yù)應(yīng)力水平從0.20增大至0.35，承載力增幅為7.4%，而預(yù)應(yīng)力水平從0.35增大至0.50時(shí)，承載力降幅為1.9%?？梢?，當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平不超過0.35時(shí)，極限承載力隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高有所提高，但提高很少；而當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平超過0.35后，試件的極限承載力有小幅下降，表明不銹鋼帶箍的預(yù)應(yīng)力水平在0.35即可以達(dá)到較好的約束效果。同時(shí)也可以看出，不銹鋼帶箍間距對承載力的影響較為明顯，而預(yù)應(yīng)力水平對承載力的影響一般。原因在于：對不銹鋼帶箍施加預(yù)應(yīng)力的過程中，不銹鋼帶箍會(huì)逐漸“勒緊”BWFRP管的外表面，由于BWFRP的表面硬度不大，不銹鋼帶箍會(huì)“嵌入”BWFRP，形成局部應(yīng)力和變形集中，從而造成表層的樹脂和玻璃纖維損傷，預(yù)應(yīng)力越大，局部變形和損傷越嚴(yán)重，這些局部損傷會(huì)誘發(fā)BWFRP提前斷裂破壞。因此，過高的預(yù)應(yīng)力水平對承載力反而是不利的，類似地，對峰值位移和延性也是不利的。

3.2 峰值位移分析

各試件的峰值位移見表1，分析可知：

（1）相比于混凝土柱PC，BWFRP約束混凝土柱BC的峰值位移增大了473.1%。

（2）相同應(yīng)力水平時(shí)，PSSH-BWFRP約束混凝土柱的峰值位移隨著不銹鋼帶箍間距的減小而增大，在預(yù)應(yīng)力水平為0.20、0.35、0.50時(shí)增幅分別為9.9%、12.2%、12.3%。

（3）當(dāng)不銹鋼帶箍間距為60mm時(shí)，預(yù)應(yīng)力水平從0.20增大至0.35，峰值位移增幅為7.3%；而預(yù)應(yīng)力水平從0.35增大至0.50時(shí)，峰值位移降幅為4.4%。當(dāng)不銹鋼帶箍間距為90mm時(shí)，預(yù)應(yīng)力水平從0.20增大至0.35，峰值位移增幅為5.1%；而預(yù)應(yīng)力水平從0.35增大至0.50時(shí)，峰值位移降幅為4.5%?？梢?，在預(yù)應(yīng)力水平0.35時(shí)，提高峰值位移效果較好。不銹鋼帶箍間距對峰值位移影響較明顯，而預(yù)應(yīng)力水平的影響一般。

3.3 延性分析

采用式（1）的延性系數(shù)u[13]來評估構(gòu)件的延性。

式中：ε85%——荷載下降至極限承載力85%時(shí)對應(yīng)的軸向位移；

ε75%——荷載上升至極限承載力75%時(shí)對應(yīng)的軸向位移。

PSSH-BWFRP約束混凝土柱的延性系數(shù)u見表4。

表4 PSSH-BWFRP約束混凝土柱的延性系數(shù)

由表4可見：

（1）相同預(yù)應(yīng)力水平時(shí)，PSSH-BWFRP約束混凝土柱的延性系數(shù)隨著鋼帶箍間距的減小而增大，在預(yù)應(yīng)力水平為0.20、0.35、0.50時(shí)增幅分別為57.2%、58.3%、57.6%。

（2）當(dāng)鋼帶箍間距為60 mm時(shí)，預(yù)應(yīng)力水平從0.20增大至0.35，延性系數(shù)增幅為33.6%；而預(yù)應(yīng)力水平從0.35增至0.50時(shí)，延性系數(shù)降幅為12.4%。當(dāng)鋼帶箍間距為90 mm時(shí)，預(yù)應(yīng)力水平從0.20增至0.35，延性系數(shù)增幅為32.7%；而預(yù)應(yīng)力水平從0.35增至0.50時(shí)，延性系數(shù)降幅為12.0%。減小不銹鋼帶箍間距提升構(gòu)件的延性性能的效果比較明顯，但預(yù)應(yīng)力水平對延性影響較小。

4 結(jié)論

（1）PSSH-BWFRP約束混凝土短柱都是因不銹鋼帶箍之間的玻璃纖維首先局部斷裂，隨后壓潰碎裂的混凝土從斷裂處涌出而破壞。

（2）在相同預(yù)應(yīng)力水平下，不銹鋼帶箍間距越小，PSSHBWFRP約束混凝土柱的極限承載力越高。不銹鋼帶箍間距對承載力的影響比較明顯，而預(yù)應(yīng)力水平對承載力的影響較小。

（3）不銹鋼帶箍間距和預(yù)應(yīng)力水平對峰值位移的影響均較小。

（4）減小不銹鋼帶箍間距對提高構(gòu)件的延性比較明顯，但預(yù)應(yīng)力水平對延性影響較小。

（5）過高的預(yù)應(yīng)力水平對承載力、峰值位移和延性反而不利，建議預(yù)應(yīng)力水平控制在0.35。