周龍華,鄒 毅,楊 森,彭 旭,黃奕森,黃旖珩,謝 攀

(華南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院,廣東 廣州 510642)

1 引 言

鋼筋混凝土作為性能良好的堿性建筑材料,在道路橋梁等結(jié)構(gòu)中應用廣泛。而作為橋梁墩柱結(jié)構(gòu)的主要材料,其不僅需要滿足復雜受力情況下的承載力水平要求,在耐久性方面也面臨著海洋環(huán)境的巨大挑戰(zhàn),每年由鋼筋銹蝕引起的結(jié)構(gòu)退化是影響橋梁使用年限的關鍵因素[1-2]。在海水中各種離子的作用下,混凝土中的堿性環(huán)境被打破,鋼筋表面鈍化膜的Fe2O3和Fe3O4也受到破壞,引發(fā)鋼筋銹蝕[3]。而當鋼筋發(fā)生部分銹蝕后,形成的產(chǎn)物會與鈍化膜產(chǎn)生電位差,加劇鋼筋的化學腐蝕速度。在鋼筋銹蝕后的體積膨脹和荷載壓力共同作用下,混凝土往往會發(fā)生開裂、剝落等現(xiàn)象,甚至導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

國內(nèi)外眾多研究表明[4-6],如果采用比強度高、耐腐蝕性好的纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer,即FRP)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行外包裹加固,則可以有效提高承重結(jié)構(gòu)的強度、延性和耐腐蝕性。在復合材料約束混凝土墩柱結(jié)構(gòu)中,復合材料起到了取長補短的效果。從力學性能方面看,FRP可以為混凝土墩柱提供環(huán)向約束力,能延緩受壓混凝土因橫向膨脹導致的過早破壞,從而提高核心混凝土的受壓強度。從耐久性方面看,FRP作為一層致密的隔水阻氣防腐材料,能減少環(huán)境因素對混凝土的侵蝕,在一定程度上起到延緩混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的作用[7]。隨著近年來國家在基礎設施建設投入的加大,橋梁工程領域中FRP材料的應用潛力也不斷增大,因此深入研究FRP材料對橋梁混凝土墩柱力學性能的加固作用具有很高的工程價值和重要的現(xiàn)實意義。

在工程中,常用的纖維材料有碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)、玄武纖維(BFRP)、芳綸纖維(AFRP)和混雜纖維(HFRP)[8]。試驗中,在材料選擇上,各國學者通過對不同材質(zhì)的FRP管進行試驗發(fā)現(xiàn)GFRP與混凝土的線膨脹系數(shù)較為接近,能在不同工作環(huán)境下與混凝土良好地粘結(jié),且GFRP對混凝土墩柱性能提升的性價比最高[9-12],故采用GFRP管進行試驗分析。在試件的制作方法上,FRP常用方法有纖維纏繞法、濕鋪法、拉擠法等,故采用最為常用的纖維纏繞法。在自變量選擇上,由于試驗中多采用接近環(huán)向的角度,對其他角度下FRP管環(huán)向力學性能的研究較少,因此試驗主要探究不同纏繞角度對FRP管的影響。在加強效果的評定上,FRP管的環(huán)向彈性模量、泊松比、極限拉伸應變等是衡量加強效果的有關參數(shù),而對實際應用中的FRP管約束混凝土墩柱而言,其中最為重要的是環(huán)向彈性模量,故通過試驗測定FRP管的環(huán)向彈性模量尤為重要。在試驗方法上,測量復合材料彈性模量有直條形片材拉伸法、分裂盤法等,但由于邊界效應、曲率、摩擦力等因素的存在,測量結(jié)果往往存在較大誤差,而采用水壓試驗法不僅能使FRP管接近實際狀態(tài)發(fā)生均勻膨脹,測量數(shù)據(jù)可靠,而且能保持試件的完整性[13-15]。

綜上所述,依托廣東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“基于海洋環(huán)境下的復材混凝土新型組合墩柱力學性能的研究”,對不同纖維纏繞角度的玻璃纖維增強復合材料空管在水壓試驗下的環(huán)向彈性模量進行測定,以期通過研究復材管的靜力學性能為工程實踐中更有效地利用GFRP對橋梁混凝土墩柱進行增強加固提供更加準確的材料數(shù)據(jù)支撐,為復合材料新型組合墩柱在實際中的推廣應用提供參考。

2 試驗方案

2.1 水壓試件準備

國內(nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)直徑為150～300 mm,高徑比為1∶1～1∶2的FRP約束混凝土柱沒有明顯的尺寸效應[16-17],故用小尺寸構(gòu)件類比測定工程中的大尺寸構(gòu)件的環(huán)向力學參數(shù)具備合理性。使用3組共9個GFRP空圓管分別采用45°、60°、80°纏繞角(見圖1),其中纖維纏繞角為纖維方向與GFRP管軸向所成的銳角。試件的名義壁厚為3.5 mm,名義直徑和名義高度均為150 mm,由鄰苯樹脂為浸漬基體纏繞6層廣東纖力玻璃鋼有限公司生產(chǎn)的玻璃纖維制成。其中,纖維起到受力及增加強度的作用,樹脂起到傳力及粘結(jié)的作用。各試件兩端均通過機械加工找平并保持光滑。

每個GFRP空圓管的外側(cè)壁中部均用砂紙打磨出一個平面,用膠水沿環(huán)向四等分均布粘貼4個環(huán)向4個軸向共8個長度均為20 mm的應變片,4根對拉螺桿外表面中部均打磨出約30 mm長的平面區(qū)域并各粘貼1個軸向長度為20 mm的應變片,各應變片布置如圖2所示。粘貼后均用防水玻璃膠包裹應變片外側(cè),防止試驗加載時由于水的因素而干擾應變片示數(shù)。

圖2 應變片的布置

2.2 前期試驗

由于水壓試驗中環(huán)向彈性模量的計算需要GFRP管的軸向彈性模量及對拉螺桿的應力應變關系圖,故在進行水壓試驗時也需要進行軸壓試驗及螺桿拉伸試驗獲取相關力學參數(shù)的數(shù)據(jù)。

(1)軸壓試驗。

軸壓試驗參考“測量結(jié)構(gòu)工程用復合材料管軸向壓縮性能的試驗裝置”[18]和《纖維增強熱固性塑料管軸向壓縮性能試驗方法》(GB/T 5350-2005)[19]進行。軸壓彈性模量以同批同尺寸的GFRP空圓管在1 000 kN的微機控制伺服壓力試驗機上進行軸向壓縮試驗,取平均軸向應變?yōu)?.001～0.003之間的線性部分進行計算得出。軸壓試驗的加載模式為位移控制,加載速率為0.6(mm/min),加載至試驗破壞為止。

軸壓試驗所測得的各GFRP圓管的具體參數(shù)如表1所示。其中,名稱中字母“G”表示GFRP空圓管,數(shù)字“45”、“60”、“80”表示對應的纏繞角度,字母組合“A0”、“B0”、“C0”表示同組的試件序次。每種纏繞角均用3個試件進行重復加載,同時為了防止軸壓加載時端部發(fā)生局部破壞,每個試件兩端均包裹了兩層高度為15 mm的碳纖維布進行加固處理。

表1 軸壓試驗GFRP管材料參數(shù)

(2)螺桿拉伸試驗。

利用水壓試驗時同批次同型號的3根螺桿進行拉伸試驗,將每根螺桿中部磨平并各粘貼1個軸向應變片,考慮試驗安全均未拉伸至螺桿斷裂,試驗中由電腦收集的對拉螺桿的拉伸荷載與軸向應變數(shù)據(jù)如圖3所示。后續(xù)在GFRP管水壓加載試驗中,均值曲線將用于計算每根螺桿所承受的軸向荷載大小。

圖3 對拉螺桿拉伸荷載-軸向應變關系圖

2.3 水壓試驗

試驗參考“測量結(jié)構(gòu)工程用纖維增強復合材料管環(huán)向拉伸性能的內(nèi)壓試驗裝置和試驗方法”[20],將粘貼好應變片的GFRP管在上下兩側(cè)分別用內(nèi)設凹槽的特制鐵餅固定,凹槽內(nèi)置氯丁橡膠U型墊圈用以內(nèi)嵌GFRP管兩端。整個裝置用環(huán)繞試件圓周均勻布置的4根對拉螺桿和螺母上下固定鎖緊作為加載體,水壓加載時試件膨脹使螺桿受拉,利用螺桿對試件的反向擠壓力使橡膠墊圈變形并貼合GFRP管形成密封狀態(tài),避免由于漏水影響加壓時的受力狀態(tài)。

所有應變片均通過橋接法連至靜態(tài)應變儀再連接至電腦,加載體通過上鐵餅正中間的進水口外接高箱手動試壓泵進行加載,試件受力情況由上鐵餅的傳感器傳至電腦,由電腦進行應力應變數(shù)據(jù)的采集。由于水壓試驗破壞時可能對試驗人員產(chǎn)生較大危險,出于安全考慮,試件均未加載至破壞即停止。

由于試驗裝置的密封要求,GFRP管在加載體安裝完畢時即處于軸向受壓狀態(tài)。在水壓加載過程中,GFRP管受水壓軸向應力逐漸增大,產(chǎn)生向外的膨脹趨勢,對螺桿產(chǎn)生的拉力也逐漸增大,處于雙軸應力狀態(tài)。

3 試驗結(jié)果

3.1 計算公式

(1)

式中:σθ為纖維纏繞角度為θ的GFRP管對應的環(huán)向應力,MPa;PW為加載水壓,MPa;di為GFRP管內(nèi)直徑,mm;t為GFRP管管壁厚度,mm。

(2)

(3)

(4)

式中:σx為纖維纏繞角度為θ的GFRP管對應的軸向應力,MPa;n為對拉螺桿數(shù)量,根;Fi為第i根對拉螺桿拉力,由對拉螺桿上應變片讀數(shù)εi在對拉螺桿軸向應力-軸向應變曲線上取得,N;PW為加載水壓,MPa;Ai為GFRP管內(nèi)直徑所包圍的面積,mm2;di為GFRP管內(nèi)直徑,mm;Ap為GFRP管的截面面積,mm2;t為GFRP管管壁厚度,mm。

(5)

式中:Eθ為纖維纏繞角度為θ的GFRP管對應的環(huán)向彈性模量,MPa;Ex為同批GFRP管進行軸壓試驗測得的對應纖維纏繞角度為θ的軸向壓縮彈性模量,MPa;Δεθ為纖維纏繞角度為θ的GFRP管對應的環(huán)向應力-環(huán)向應變曲線上直線部分的平均環(huán)向應變增量;Δσθ為Δεθ對應的環(huán)向應力增量,MPa;Δσx為Δεθ對應的軸向應力增量,MPa。

3.2 主要試驗結(jié)果

試驗測得的45°、60°、80°的環(huán)向應力與軸向應變、環(huán)向應變的數(shù)據(jù)如圖4所示,據(jù)此數(shù)據(jù)由公式(1)～公式(5)求得GFRP管環(huán)向力學參數(shù)如表2所示。

表2 水壓試驗GFRP管環(huán)向力學參數(shù)

圖4 GFRP管水壓試驗環(huán)向應力-應變關系圖

4 試驗結(jié)論

分別對45°、60°、80°三種不同纖維纏繞角度的GFRP管在水壓試驗下的環(huán)向拉伸性能進行測定,通過對試驗數(shù)據(jù)的分析計算得到不同纏繞角度下GFRP管的環(huán)向彈性模量,并得出以下結(jié)論。

(1)三種纖維纏繞角度的GFRP空管的環(huán)向應力-應變關系曲線都表現(xiàn)出一定的非線性特征。其中,纏繞角為45°的GFRP管的非線性特征較為顯著,纏繞角為60°和80°的GFRP管均在即將達到峰值應力時才出現(xiàn)非線性特征。

(2)不同纖維纏繞角度對GFRP管的環(huán)向力學性能影響程度不同,在45°、60°、80°這三種纏繞角度中,隨著纖維纏繞角度的增大,GFRP管的環(huán)向彈性模量增大。

(3)對于纏繞角為45°的GFRP管,應力-應變曲線存在平臺段。當達到一定的環(huán)向應力時,環(huán)向應力不會隨著環(huán)向應變和軸向應變的增長而增長。