FRP编织网/ECC复合加固钢筋混凝土圆柱力学性能的试验研究

朱忠锋　 王文炜

(东南大学交通学院, 南京 210096)



FRP编织网/ECC复合加固钢筋混凝土圆柱力学性能的试验研究

朱忠锋 王文炜

(东南大学交通学院, 南京 210096)

考虑纤维编织网表面处理、层数和ECC施工工艺等因素,对FRP编织网/ECC复合增强钢筋混凝土圆柱进行了静力轴向受压试验,研究了加固柱的承载力和变形能力．在试验研究的基础上,利用有限元软件建立了加固柱的数值分析模型．试验结果表明,加固柱的破坏形态为BFRP编织网断裂;随着编织网层数的增加,加固柱的极限荷载和变形性能均有所提高;FRP编织网经过表面处理后,显著地改善了与ECC的界面黏结性能和共同工作性能;涂抹ECC和喷射ECC与FRP编织网形成的复合加固层,均能对核心钢筋混凝土柱提供有效的侧向约束应力,延缓了纵筋的屈服．计算结果表明,利用所建立的非线性有限元模型,可以有效地预测加固柱的极限荷载和受力性能．

FRP编织网;ECC;加固;数值分析

随着外贴FRP(fiber reinforced polymer)加固技术的发展,研究者发现在潮湿、高温或火灾等情况下,环氧树脂类黏结剂的老化和较低的玻璃化温度Tg(60～82 ℃)严重影响构件的加固效果[1-5],造成FRP-混凝土界面黏结性能退化．

为解决上述问题,一些学者尝试采用无机材料作为黏结剂,先后出现了无机胶粘贴法、纤维编织网增强改性砂浆(textile reinforced mortar,TRM)/混凝土(textile reinforced concrete,TRC)加固法及FRP格栅增强水泥砂浆加固法用于增强混凝土构件．但TRM/TRC法改性砂浆渗透性差、延伸率低、FRP编织网与水泥基界面黏结强度不足等[6-10]．鉴于此,本文提出使用FRP编织网与高延性工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite,ECC)，形成复合加固层，用于混凝土墩柱的加固技术(FRP textile reinforced ECC,FRE)．基于该项加固技术,使用玄武岩编织网(basalt fiber reinforced polymer textile, BFRP textile)与ECC对15根钢筋混凝土圆柱进行了加固,探讨其在轴向压力作用下的破坏模式、约束机理及极限承载力．

1　试验

1.1试件设计

共设计了6组钢筋混凝土圆柱试件,每组3个相同的试样,如表1所示．其中，RC为未加固的对比柱,其余试件均为使用BFRP编织网/ECC复合层增强的加固柱;FRE1和FRE1E使用的是1层编织网,FRE2E使用2层编织网,FRE3E使用3层编织网．试件FRSE1的加固层由1层编织网与喷射ECC复合而成,目的是研究FRP编织网增强喷射ECC对钢筋混凝土柱加固效果的影响．所有试件的尺寸均为φ200 mm×600 mm(直径×柱高)．复合加固层中ECC厚度均为30 mm．试件配筋及加固方案如图1(a)所示．

RC柱制作好后,对表面进行打磨处理,涂抹一层厚度约为10 mm的ECC,将编织网缠绕在柱体表面,然后涂抹剩余的ECC形成复合加固层(见图1(b)、(c))．对于使用喷射ECC的加固柱,先喷射一层厚度约10 mm的ECC,然后缠绕编织网,最后喷射剩余的ECC．

表1　试件设计表

图1圆柱加固图

1.2材料性能

ECC材料由P.O 42.5普通硅酸盐水泥、一级粉煤灰、石英砂(最大粒径不大于0.6 mm)、硅灰、高效聚羧酸液态减水剂、速凝剂及PVA纤维组成,配合比(质量比)如表2所示．PVA纤维采用日本可乐丽公司生产的长度为12 mm的短纤维,体积掺量为2%．通过ECC轴向拉伸试验[11]得到涂抹用ECC(ECC1)极限拉应力为3.4 MPa,极限拉应变为1.0%;喷射ECC(ECC2)极限拉应力为4.7 MPa,极限拉应变为1.8%．ECC的抗拉弹性模量均值为3.93 GPa．试验中,测得混凝土龄期28 d的平均抗压强度为37.0 MPa．

编织网采用纵横向丝束间隔为25 mm×25 mm的双向BFRP编织网．丝束截面尺寸为0.67 mm×5.42 mm．参照《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》(GB/T 3354—1999)[12]对BFRP编织网进行单向拉伸试验．编织网的力学性能如表3所示．

表2　ECC配合比

表3　材料性能　MPa

1.3试验装置

试验采用500 t液压伺服压力机加载．在圆柱中部位置沿着纵向和横向各对称布置2个长度为60 mm应变片，测量试件的表面应变．采用长度为5 mm的应变片测量圆柱内部纵筋、箍筋及BFRP编织网的应变．在圆柱的顶部和底部设置位移传感器测量试件的纵向变形．在试件达到极限荷载前,采用荷载控制,速率为2.4 kN/s;达到极限荷载后,采用位移加载控制,速率为0.5 mm/s．所有数据均通过东华静态应变仪测量获得．

2　试验结果分析

2.1破坏形态

对比柱RC在纵筋受压屈服后混凝土压碎,柱体表面有多条纵向裂缝(见图2(a))．加固柱的破坏形态为内部纵向钢筋屈服后复合加固层中BFRP编织网断裂,如图2(c)～(e)所示．FRE1组试件中，BFRP编织网与ECC在破坏前发生了较明显的滑移(见图2(b)),说明编织网表面处理有助于提高界面的黏结强度．

图2　试件破坏形式

2.2荷载-变形曲线

图3给出了所有试件(6组试件，每组3个相同试样)的荷载-变形曲线．由图可知,曲线分为上升和下降2个阶段．在上升阶段,所有试件曲线的斜率基本相同,表明在荷载相对较小的阶段,编织网/ECC复合层对核心混凝土的约束作用较小,加固柱的整体轴向刚度略有增长．随着荷载的增加,复合加固层中的ECC出现竖向裂缝,加固柱轴向刚度逐渐降低,曲线的斜率逐渐减小．当纵向钢筋达到屈服强度时,加固柱的轴向刚度降低的程度越来越显著,承载力基本不再增加．随着ECC裂缝的开展、增宽,BFRP格栅断裂,加固柱达到极限荷载．复合加固层破坏后,荷载-变形曲线进入下降段．

图3　荷载-变形曲线

相对于对比柱, FRE1组试件开裂荷载的平均值为744.5 kN,提高了35.9%; FRE1E～FRE3E组的平均值均在950 kN左右,提高了73%,表明复合加固显著地增加了柱的开裂荷载．与未加固柱相比, FRE1E，FRE2E和FRE3E极限荷载的平均值分别提高了44.6%，49%和56.4%,说明随着编织网层数的增多,加固柱的极限抗压承载力有所增加．使用喷射ECC与BFRP编织网复合增强的FRSE1,其极限荷载提高了62.6%,对应的纵向变形也有显著地增加,表明无论使用涂抹ECC,还是喷射ECC，与BFRP编织网复合加固均可有效地约束核心混凝土,提高了柱的承载力和变形性能．表4给出了所有试件的开裂荷载、极限荷载及对应的纵向位移．

2.3应力-应变曲线

图4分别给出了FRE1和FRE2E组中试件FRE1-1和FRE2E-1的编织网及ECC应力-应变曲线图．从图中可知,当轴向压应力小于15 MPa时,编织网和ECC的环向应变均较小．当轴向压应力约为33 MPa(纵筋受压屈服)时,环向应变迅速增加．在整个受力过程中,试件FRE2E-1中BFRP编织网与ECC的环向应变差值始终较小,表明BFRP编织网与ECC没有相对滑移,共同工作性能较好．在轴向压应力为15 MPa时试件FRE1-1中编织网与ECC环向应变差值逐渐增大．纵筋屈服时,两者环向应变的差值达到4.1×10-3,表明2种材料之间出现明显的滑移,界面黏结性能较差．

图4　ECC和Textile环向应力-应变曲线

试件名称试验值数值模拟值开裂荷载Pcr,e/kN极限荷载Pu,e/kN开裂位移fcr,e/mm极限位移fu,e/mm开裂荷载Pcr,p/kN极限荷载Pu,p/kN开裂位移fcr,p/mm极限位移fu,p/mmPcr,p/Pcr,ePu,p/Pu,eRC-1545.0780.00.891.27RC-2526.1735.30.731.27RC-3572.5842.10.681.18469.1469.1469.1848.2848.2848.20.490.490.491.441.441.440.861.090.891.150.821.01FRE1-1743.61074.41.052.14FRE1-2728.71052.91.032.20FRE1-3761.21100.81.072.18932.9932.9932.91185.81185.81185.81.151.151.153.603.603.601.251.101.281.131.231.08FRSE1-1950.31272.91.212.06FRSE1-2917.11310.91.112.24FRSE1-3921.71249.61.092.06945.5945.5945.51243.61243.61243.61.161.161.165.755.755.750.990.981.030.951.031.00FRE1E-1983.01134.61.22.24FRE1E-2943.71116.71.152.15FRE1E-3881.31157.31.032.30932.9932.9932.91185.81185.81185.81.151.151.153.603.603.600.951.050.991.061.061.02FRE2E-1952.51169.71.172.45FRE2E-2933.41150.21.072.28FRE2E-3971.51193.11.012.40939.5939.5939.51218.81218.81218.81.151.151.153.683.683.680.991.041.011.060.971.02FRE3E-11013.71222.21.132.39FRE3E-21055.81219.31.082.45FRE3E-31034.01246.60.922.26944.8944.8944.81251.61251.61251.61.151.151.153.783.783.780.931.020.891.030.911.00平均值1.0041.044标准差0.1310.052

图5给出了部分试件的应力-应变关系图．由于加固试件复合层厚度为30 mm,其表面纵向应变难以真实反映柱本身的纵向变形,因此图中采用纵筋受压应变来反映加固柱的纵向变形．可以看出,当ECC开裂(应变为1.0×10-3左右)时,FRE1E-1～FRE3E-1的应力明显大于FRE1-1,表明经过处理的BFRP编织网形成的复合层对核心混凝土的约束效果更明显．ECC开裂后,试件的应力-应变曲线斜率逐渐变缓．当纵筋屈服后,柱轴向压应力基本不再提高,由于复合层仍能提供有效侧向约束,试件应变迅速增大．相对于对比柱RC,纵筋极限压应变及柱表面环向应变均得到较大程度的提高,复合加固层有效地提高了柱的变形能力．

图5　应力-应变曲线图

3　有限元数值模拟

目前,一些学者已针对FRP布加固RC柱的力学性能及数值模拟进行了研究[13-14]．本文利用非线性有限元分析软件ABAQUS,在不考虑编织网与ECC间的界面滑移条件下,建立有限元分析模型(见图6)．混凝土和ECC采用实体单元,钢筋及BFRP编织网采用杆单元．混凝土单向受压应力-应变本构关系参考《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[15]给出的模型．ECC受拉应力-应变关系采用应变硬化模型[10].图7中，σcr，εcr和σcu,εcu分别为ECC的开裂应力、应变和极限应力、应变．BFRP编织网的受拉应力-应变关系为线弹性关系．各材料的力学性能指标均采用试验实测值,如表3所示．约束柱体底部3个方向位移采用位移加载控制,采用隐式分析方法进行计算．

图6　数值分析模型

图7　ECC应力-应变曲线

图8给出了加固试件FRE1E-1的破坏形态对比图．由图可知,模拟柱的最终破坏形态与观测到的破坏模式相近:加固层的破坏区域主要集中在柱的中部附近,裂缝开展方向与试件中心夹角约为45°,内部编织网的环向应力在破坏时达到相应材料的极限抗拉强度．

图8　FRE1E-1试件破坏形态对比图

表4给出了模拟值与试验对比结果．从中可以看出,加固柱的轴向位移模拟值均大于相应的试验值,其原因在于:有限元模型中ECC假定为均质受拉材料,实测抗拉强度具有一定的离散性;编织网发生断裂时,试件随即破坏,而模拟中从编织网断裂到试件破坏有一定的过程．模拟的荷载值与试验值吻合较好:开裂荷载模拟值与试验值比值的平均值为1.004,标准差为0.131;极限荷载模拟值与试验值比值的平均值为1.044,标准差为0.052．

图5给出了应力-应变关系曲线比较．从图中可以看出,模拟的关系曲线(见图5中FEM)与试验曲线的总体趋势一致:受压钢筋屈服之前,复合加固层对核心钢筋混凝土柱的约束作用较强,应变较小．随着ECC不断出现裂缝直至受压钢筋屈服,复合加固层对核心混凝土的约束作用逐渐下降,应变逐渐增大,直至BFRP编织网断裂．

4　结论

1) 经过表面黏砂处理后,增强了BFRP编织网与ECC的界面黏结性能,改善了两者的共同工作性能;

2) 无论是涂抹ECC,还是喷射ECC，与BFRP编织网形成的复合加固层均可以有效地对核心混凝土柱提供侧向约束,从而增加了加固柱的纵向刚度,延缓了纵筋的屈服,提高了核心钢筋混凝土柱的承载力和变形能力;

3) 有限元分析结果和试验研究结果吻合良好,表明利用本文建立的有限元模型可以有效地模拟对加固柱的受力性能．

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Experimental study on mechanical behaviour of circular reinforced concrete columns strengthened with FRP textile and ECC

Zhu Zhongfeng Wang Wenwei

(School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Considering the cured surface and layers of fiber reinforced polymer (FRP) textile and construction technology of engineered cementitious composite (ECC), the static axial compressive experiment on circular reinforced concrete (RC) columns strengthened with FRP textile and ECC was carried out to study the loading and deformation capacities of RC column. Based on experimental results, the numerical analysis model was established using the finite element software. Experimental results show that all strengthened RC columns fail by the rupture of BFRP textile, the ultimate compressive strength and deformation capacity of confined RC columns are enhanced with the reinforced layer of FRP textile increasing. After surface treatment, the bonding behavior and the compatibility of FRP textile and ECC interface are significantly improved. Besides, the composite strengthened layer combined with both smeared and sprayed ECC strengthening and FRP textile can provide effective lateral confining stress to the strengthened RC columns and delay the yielding of longitudinal reinforced steel rebar. The analytical results show that the ultimate compressive strength and the deformation capacity of the strengthened RC columns can be predicted by using the nonlinear finite element model.

fiber reinforced polymer(FRP) textile; engineered cementitious composite(ECC); strengthening; numerical analysis

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.031

2016-03-01.作者简介: 朱忠锋(1987—)，男，博士生；王文炜(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，wangwenwei@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51578135，51278441).

TU375.3

A

1001-0505(2016)05-1082-06

引用本文: 朱忠锋,王文炜.FRP编织网/ECC复合加固钢筋混凝土圆柱力学性能的试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(5):1082-1087. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.031.