張建偉, 樊亞龍, 婁蒙凡, 邊漢亮, 丁 樂(lè)

(1 河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，開封 475004；2 河南省軌道交通智能建造工程技術(shù)中心，開封 475004)

0 引言

在樁基結(jié)構(gòu)加固工程中,往往要求材料具有較高的強(qiáng)度和抗侵蝕性。纖維復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐酸堿侵蝕的特性,被逐漸應(yīng)用于一些有特殊要求的工程環(huán)境中[1-2]。已有研究表明,樁基不僅承受水平和豎向方向的荷載,還要受到海水、鹽漬土和其他惡劣環(huán)境的侵蝕,對(duì)樁身采用FRP材料加固,可同時(shí)提高承載力和耐腐蝕性。

已有眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)FRP加固后的混凝土構(gòu)件承載性能進(jìn)行了研究。Fam等[3]研究了FRP管樁的豎向承載能力,并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果建立纖維增強(qiáng)混凝土構(gòu)件軸心受壓的約束模型。Giraldo等[4]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了黏性土中FRP樁和鋼樁的豎向承載能力,結(jié)果表明,FRP樁的豎向承載能力要大于鋼樁。Ilki等[5]研究了FRP布包裹的圓截面初始損傷混凝土柱的軸向承載能力,認(rèn)為FRP加固初始損傷的混凝土柱與加固完好的混凝土樁的力學(xué)性能相差不大。Shao等[6]研究了FRP約束混凝土柱的循環(huán)響應(yīng)問(wèn)題,分析了循環(huán)荷載對(duì)FRP約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響。Campione等[7]研究了BFRP布約束混凝土構(gòu)件的抗壓性能,從層數(shù)、包裹類型等方面對(duì)受約束試件強(qiáng)度和延性進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,受BFRP布約束的試件極限應(yīng)變顯著增加,峰值應(yīng)變是無(wú)約束試件峰值應(yīng)變的5倍。對(duì)于FRP樁水平承載特性方面,Fam[8]進(jìn)行了大尺寸玻璃纖維增強(qiáng)塑料圓管的試驗(yàn),研究了其抗彎性能。Murugan等[9-10]研究了玻璃和碳纖維聚合物兩種纖維加固對(duì)RC樁的水平承載力影響。Rayhani等[11]進(jìn)行了軟黏土中FRP樁的模型試驗(yàn)研究,以及纖維方向?qū)RP樁性能影響研究,并與普通鋼樁相比,FRP樁的性能更優(yōu)。Alsaad等[12]對(duì)CFRP包裹的混凝土圓柱在海洋環(huán)境中的性能進(jìn)行了測(cè)試研究,隨著浸泡時(shí)間的增加,圓柱各項(xiàng)指標(biāo)逐漸下降。徐寧等[13]對(duì)FRP布加固普通混凝土樁的承載性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,復(fù)合樁的水平承載性能較普通混凝土樁有一定的提升。此外,還有很多學(xué)者對(duì)FRP加固混凝土構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值模擬研究[14-16]。

目前,關(guān)于FRP布材加固鋼筋混凝土樁水平承載性能的研究相對(duì)較少。本文主要通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和ABAQUS有限元模擬,對(duì)不同F(xiàn)RP布材類型、不同包裹層數(shù)的單樁水平承載性能進(jìn)行研究,進(jìn)一步確定FRP布材對(duì)混凝土樁的最優(yōu)加固方式。研究結(jié)果可為FRP布樁水平承載力設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型與土體參數(shù)

模型槽的高為1.8m,直徑1.3m,槽壁為高強(qiáng)度鋼板,如圖1所示。

圖1 模型槽

土體選用河南省開封地區(qū)粉砂土。將模型樁放置于模型槽預(yù)定位置,然后采用土體進(jìn)行分層填筑,每層填筑20cm進(jìn)行整平壓實(shí),保證土樣的均勻密實(shí)性。同時(shí)對(duì)土樣進(jìn)行土工試驗(yàn),具體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 FRP材料

本文選用的FRP布為某公司生產(chǎn)玻璃纖維(GFRP)、碳纖維(CFRP)、玄武巖纖維(BFRP),如圖2所示,FRP布的材料性能如表2所示。

表2 FRP布的材料性能

1.3 模型樁

模型樁長(zhǎng)1.5m,樁身截面0.1m×0.1m,保護(hù)層厚度10mm。鋼筋籠采用4根直徑為8mm的鋼筋綁扎。樁身采用C30混凝土,配合比水泥∶水∶砂∶石子為1∶0.45∶1.36∶3.0。樁身應(yīng)變片位置見圖3。

圖3 樁身應(yīng)變片布置圖

待模型樁養(yǎng)護(hù)28d后,在樁身粘貼FRP布。模型樁設(shè)計(jì)為三種類型,分別為鋼筋混凝土樁(簡(jiǎn)稱RC樁),三種類型FRP布(CFRP布、BFRP布、GFRP布)加固的鋼筋混凝土樁(簡(jiǎn)稱FRP布樁)。為探究不同類型、不同層數(shù)的FRP布對(duì)FRP布樁的水平承載能力的影響,本次試驗(yàn)工況如表3所示。

表3 試驗(yàn)工況

1.4 加載裝置

采用慢速維持加載法施加水平荷載,水平荷載由液壓千斤頂施加,通過(guò)XL-2116A型測(cè)力計(jì)(最小量程為1kN)確定每級(jí)施加的荷載。每一級(jí)荷載施加大小為500N,分十級(jí)加載最終荷載為5000N。百分表用磁力架固定在受力方向的中心點(diǎn)處。每級(jí)荷載施加后,隔5min觀察位移值,若前后讀數(shù)變化范圍小于0.01mm,即視為穩(wěn)定,并記錄樁身截面的應(yīng)變片數(shù)據(jù)。加載裝置示意圖如圖4所示。

圖4 水平靜載試驗(yàn)裝置

為了測(cè)得FRP布的抗彎剛度EI,利用自平衡反力架對(duì)模型樁進(jìn)行彎曲試驗(yàn),將模型樁兩端放置于反力架支架的槽口,控制每級(jí)荷載增量為0.5kN?？箯潉偠仍囼?yàn)如圖5所示。

圖5 抗彎剛度試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 模型樁抗彎剛度試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變儀記錄荷載作用下樁身截面的應(yīng)變,然后利用強(qiáng)度理論計(jì)算樁的抗彎剛度[17],結(jié)果如表4所示。

表4 各樁抗彎剛度測(cè)定值

相較于RC樁,不同類型的FPR布樁抗彎剛度均有很大程度的提升,CG1、G1、G2、G3、B1、C1樁的樁身剛度分別提高了36.0%、16.0%、29.9%、40.4%、22.0%、27.6%。對(duì)于單層FRP布樁,包裹CFRP布的提升效果最優(yōu);混合包裹CFRP布和GFRP布的提升效果要優(yōu)于包裹雙層GFRP布;對(duì)比G1、G2、G3樁,樁身抗彎剛度隨包裹層數(shù)的增加呈非線性增加。

2.2 不同包裹層數(shù)對(duì)FRP布樁水平承載性能的影響

2.2.1 水平位移分析

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果,得到不同包裹層數(shù)FRP布樁的水平荷載-位移曲線如圖6所示。當(dāng)荷載較小時(shí),FRP布尚未發(fā)生作用,樁頂?shù)奈灰瞥示€性增加。荷載繼續(xù)增大時(shí),FRP布發(fā)揮包裹作用,減小了FRP布樁的水平位移。當(dāng)荷載達(dá)到5kN時(shí),RC、G1、G2、G3樁的樁頂水平位移分別為15.88、13.99、12.35、11.85mm。G1、G2、G3樁的樁頂水平位移分別比RC樁減小了11.9%、22.2%、25.3%,G3樁的樁頂水平位移比G1樁減小了15.2%。隨著包裹層數(shù)的增加,FRP布樁水平承載力隨之增加。

圖6 不同包裹層數(shù)FRP布樁水平荷載-位移曲線

在相同水平荷載作用下,隨著樁身包裹GFRP布層數(shù)增加,樁頂水平位移不斷減小。單樁的水平承載力主要由樁身抗彎剛度和樁周土體抗力決定。由于GFRP布的彈性模量是RC模型樁的3.8倍左右,樁身抗彎剛度隨布包裹層數(shù)的增加逐漸增大。在受荷載時(shí),布的約束作用可以承受部分變形,并分擔(dān)受拉區(qū)所受到的作用力。隨包裹層數(shù)的增加,對(duì)混凝土的束箍作用也增大,樁的水平承載力隨之提高。GFRP布樁水平承載性能隨著包裹層數(shù)的增加而提升,與普通RC樁相比,GFRP包裹1層、2層、3層的樁頂水平位移分別減小了11.9%、22.2%、25.3%。隨著包裹層數(shù)的增加,水平位移的減小幅度逐漸減緩,原因是隨著纖維布包裹層數(shù)增多,纖維層之間粘結(jié)質(zhì)量越不容易得到保證,影響各纖維層的應(yīng)力分配,部分纖維布的強(qiáng)度沒(méi)有完全發(fā)揮,造成纖維布的利用程度越低。

2.2.2 樁身彎矩分析

根據(jù)水平靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得到不同包裹層數(shù)FRP布樁在5kN水平荷載時(shí)的樁身彎矩分布曲線如圖7所示。

圖7 5kN水平荷載下不同包裹層數(shù)FRP布樁樁身彎矩分布曲線

隨著包裹層數(shù)的增加,樁身的最大彎矩減小。RC、G1、G2、G3樁的樁身最大彎矩分別為535.51、481.95、457.8、434.95N·m。G1、G2、G3樁的樁身最大彎矩分別比RC樁減小了10.01%、14.51%、18.77%,G3樁的樁身最大彎矩比G1樁減小了9.75%。彎矩隨著樁埋置深度的增加先增大后減小,在樁身底部附近趨近于0。樁身最大彎矩約在樁身1/3處,符合彈性長(zhǎng)樁的樁身彎矩分布規(guī)律,且樁身最大彎矩所對(duì)應(yīng)的埋置深度不隨包裹層數(shù)的改變而發(fā)生變化。在承受相同水平荷載作用下,樁身的彎矩值隨著包裹層數(shù)的增加而減小。

2.3 不同布材類型對(duì)FRP布樁水平承載性能的影響

2.3.1 水平位移分析

根據(jù)水平靜載試驗(yàn)結(jié)果,得到不同布材類型FRP布樁的水平荷載-位移對(duì)比曲線如圖8所示。當(dāng)荷載達(dá)到5kN時(shí),RC、G1、B1、C1樁的樁頂水平位移分別為15.88、13.99、13.49、12.82mm。G1、B1、C1樁的樁頂水平位移分別比RC樁減小了11.9%、15.05%、19.26%,C1樁的樁頂水平位移比G1、B1樁分別減小了8.36%、4.97%。在相同水平荷載作用下,C1樁的水平承載性能最佳,表明CFRP布對(duì)于FRP布樁的水平承載性能的提升效果最好。

圖8 不同布材類型FRP布樁水平荷載-位移曲線

在加載初期,各試驗(yàn)樁的水平位移增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致,當(dāng)樁身荷載達(dá)到1.5kN作用后,G1、B1、C1樁的水平位移的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯要比RC樁平緩,說(shuō)明在RC樁周包裹不同類型的FRP布,均可減小樁頂?shù)乃轿灰撇p緩加載后期位移的增長(zhǎng)速率,提高樁體的水平承載性能。其中CFRP布的提高幅度最大,BFRP布次之,GFRP布最小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,FRP布為線彈性材料,其對(duì)樁體水平承載能力的貢獻(xiàn)隨著受拉區(qū)應(yīng)變的增大而增大,CFRP布的彈性模量要比BFRP布和GFRP布大得多,對(duì)樁約束效果最明顯。

2.3.2 樁身彎矩分析

不同布材類型FRP布樁在5kN水平荷載時(shí)的樁身彎矩分布曲線如圖9所示。

圖9 5kN水平荷載下不同布材類型FRP布樁樁身彎矩分布曲線

圖9中,RC、G1、B1、C1樁的樁身最大彎矩分別為535.51、481.95、473.65、438.83N·m。G1、B1、C1樁的樁身最大彎矩比RC樁分別減小了10.01%、11.55%、18.05%,C1樁的樁身最大彎矩比G1、B1樁減小了8.95%、7.35%。彎矩隨著樁埋置深度的增加先增大后減小,埋置深度1.5m處接近于0。樁身最大彎矩處約在樁身1/3處。在承受相同的水平荷載作用下,樁身的彎矩GFRP布樁最大,BFRP布樁次之,CFRP布樁最小。

2.4 混合包裹對(duì)FRP布樁水平承載性能的影響

2.4.1 水平位移分析

根據(jù)水平靜載試驗(yàn)結(jié)果,得到混合包裹(CFRP布+GFRP布)FRP布樁的水平荷載-位移曲線如圖10所示。

圖10 混合包裹FRP布樁的水平荷載-位移曲線

由圖10可以看出,當(dāng)荷載達(dá)到5kN時(shí),RC、CG1、G2樁的樁頂水平位移分別為15.88、11.83、12.35mm。CG1、G2樁的樁頂水平位移分別比RC樁減小25.5%、22.22%,CG1樁的樁頂水平位移比G2樁減小了4.2%,在相同水平荷載作用下,CG1樁的水平承載性能要略優(yōu)于G2樁,表明GFRP布+CFRP布混合包裹的提升效果要優(yōu)于包裹2層GFRP布。從纖維受力角度分析,在纖維受到拉力時(shí),斷裂是一個(gè)排列發(fā)生的過(guò)程,當(dāng)CFRP布達(dá)到極限受力狀態(tài)開始產(chǎn)生裂紋時(shí),延伸率較高的GFRP布可以承受由延伸率較低的CFRP布斷裂而引起的額外荷載,使CFRP布的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮。所以,與包裹2層GFRP布的方式相比,混合包裹的方式對(duì)于FRP布樁的水平承載性能的提升效率要更高。

2.4.2 樁身彎矩分析

混合包裹FRP布樁在5kN水平荷載時(shí)的樁身彎矩分布對(duì)比曲線如圖11所示。RC、CG1、G2樁的樁身最大彎矩分別為535.5、412.06、457.85N·m。CG1、G2樁的樁身最大彎矩分別比RC樁減小了23.05%、14.5%,CG1樁的樁身最大彎矩比G2樁減小了10.01%。在承受相同的水平荷載作用下,包裹2層GFRP布FRP布樁的樁身彎矩要大于混合包裹的FRP布樁。

圖11 5kN水平荷載下的混合包裹FRP布樁樁身彎矩分布曲線

3 數(shù)值模擬分析

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)FRP布加固鋼筋混凝土樁的效果進(jìn)行模擬,并進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對(duì)比分析。

3.1 有限元模型的建立

土體模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,樁身混凝土選用塑性損傷模型[18]。鋼筋選用線彈性模型。FRP材料選用各向異性的線彈性模型,在網(wǎng)格模塊(mesh)中將FRP布材定義為單層板。ABAQUS材料屬性中需要輸入單層板參數(shù)E1、E2、v12、G12、G13、G23的取值如表5所示。FRP布和樁身之間采用tie約束,鋼筋與混凝土之間采用embeded約束。樁側(cè)和樁底接觸分別定義切向接觸和法向接觸。模型網(wǎng)格劃分后如圖12所示。

表5 FRP布有限元模型參數(shù)取值

圖12 有限元模型網(wǎng)格劃分

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 荷載-位移曲線

通過(guò)ABAQUS軟件建立與試驗(yàn)樁等尺寸的模型,得到荷載-位移曲線如圖13所示。

圖13 水平荷載-位移曲線

根據(jù)荷載-位移曲線,當(dāng)荷載達(dá)到5kN時(shí),CG1、G1、G2、G3、B1、C1、RC樁的樁頂水平位移分別為11.53、12.25、11.75、11.18、12.02、11.80、14.92mm。CG1、G、G2、G3、B1、C1樁的樁頂水平位移分別比RC樁減小了22.72%、17.90%、21.25%、25.07%、19.43%、20.91%。數(shù)值模擬FRP布加固RC樁的效果與試驗(yàn)結(jié)果基本相同,模擬值與試驗(yàn)值誤差百分比在±2.54%～±12.43%之間。

各試驗(yàn)樁的有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定程度上的誤差,這是由于數(shù)值模擬中簡(jiǎn)化了一些工況,比如:將土體的屬性簡(jiǎn)化為理想彈塑性模型、將土體視為單一均質(zhì)土體、FRP布粘貼效果過(guò)于理想化等。

3.2.2 彎矩曲線

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,得到5kN水平荷載下的樁身彎矩曲線如圖14所示。

當(dāng)荷載達(dá)到5kN時(shí),CG1、G、G2、G3、B1、C1、RC樁的樁身最大彎矩分別為410.11、464.07、424.12、388.11、448.81、428.88、363.22N·m,模擬值與試驗(yàn)值誤差百分比在2.27%～10.78%之間。

從圖14中可以看出,各樁試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的樁身最大彎矩值差別不大,但最大彎矩值的位置有所不同,各試驗(yàn)樁身最大彎矩約在樁長(zhǎng)的1/3處,數(shù)值模擬最大彎矩值約在2/5處,均符合彈性長(zhǎng)樁的分布規(guī)律。

4 結(jié)論

本文考慮樁頂位移、樁身彎矩以及樁身剛度等指標(biāo),研究了FRP布混合包裹、不同包裹層數(shù)、不同布材類型對(duì)FRP布樁水平承載性能的影響,同時(shí)結(jié)合有限元模擬軟件ABAQUS建立等尺寸模型,得出以下結(jié)論:

(1)根據(jù)G1、G2樁和G3樁試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),相同樁徑的FRP布樁水平承載性能隨著FRP布包裹層數(shù)的增加而提升。G1、G2、G3樁的樁頂水平位移分別比RC樁小了11.9%、22.2%、25.3%,G3樁的樁頂水平位移比G1樁小了15.2%,G1、G2、G3樁的樁身最大彎矩分別比RC樁減小了10.01%、14.51%、18.77%,G3樁的樁身最大彎矩比G1樁減小了9.75%。

(2)不同布材類型的FRP布樁中,CFRP布對(duì)于FRP布樁的水平承載性能的提升效果最好。G1、B1、C1樁的樁頂水平位移分別比RC樁小了11.9%、15.05%、19.26%,C1樁的樁頂水平位移比G1、B1樁分別小了8.36%、4.97%。G1、B1、C1樁的樁身最大彎矩分別比RC樁減小了10.01%、11.55%、18.05%,C1樁的樁身最大彎矩比G1、B1樁減小了8.95%、7.35%。

(3)混合包裹的提升效果要略優(yōu)于包裹2層GFRP布。CG1、G2樁的樁頂水平位移分別比RC樁小了25.5%、22.22%,CG1樁的樁頂水平位移比G2樁小了4.2%,CG1、G2樁的樁身最大彎矩分別比RC樁減小了23.05%、14.5%,CG1樁的樁身最大彎矩比G2樁減小了10.01%。

(4)模型樁有限元模擬得到的水平荷載-位移曲線與樁身彎矩分布曲線與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好,彎矩隨著埋置深度的增大先增大后減小,最大彎矩約出現(xiàn)在樁長(zhǎng)的2/5處,符合彈性長(zhǎng)樁的樁身彎矩變化規(guī)律。結(jié)果證明,采用ABAQUS軟件模擬FRP布加固RC樁是可行的。