具有可恢复性的BFRP约束混合配筋混凝土轴压短柱力学性能研究

巫文君，姜绍飞，林 泉

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350116)

具有可恢复性的BFRP约束混合配筋混凝土轴压短柱力学性能研究

巫文君，姜绍飞，林 泉

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350116)

为实现结构构件既具有较高承载力，同时具有较小的残余位移，提高震后的可修复性，提出具有可恢复性的BFRP管约束混合配筋混凝土构件.根据纤维体积包裹率、截面尺寸和混合配筋率三个参数，设计制作了4根BFRP管约束混合配筋混凝土短柱和3根不同对比柱，对其进行轴压试验.结果表明：试件的破坏属于强度破坏；纤维体积含量和截面尺寸的增加可以提高试件的承载力和刚度，而混合配筋对其提高幅度有限；该构件具有稳定的二次刚度；试件的应力-应变曲线可分为弹性段、弹塑性阶段和强化段，构件达到极限承载力后，荷载突降，达到无约束钢筋混凝土短柱承载力后稳定下降.最后提出该组合轴压短柱的承载力计算公式，计算结果和试验值吻合良好.

BFRP管；混合配筋；轴压短柱；可恢复性；二次刚度

0 引言

FRP管是将树脂和纤维按照一定比例制作而成的，并在FRP管内浇筑混凝土形成FRP管混凝土组合柱[1].FRP管有效提高了结构的承载力和延性，同时解决结构的耐久性和耐腐蚀性等问题[2-3].FRP筋目前也应用于建筑结构或桥梁中，可以有效减小结构的震后残余变形，提高结构的可修复性[4-5].

近年来国内外学者已对FRP管或FRP筋混凝土柱进行了一系列研究.周乐等[6]、秦国鹏等[7]研究FRP管高强混凝土轴压柱的受力性能，证明组合柱承载力随着纤维缠绕角度的减小而增大，随管壁厚度的增加而增加，随着混凝土强度的提高而提高.肖建庄等[8]完成9个玻璃纤维增强塑料(GFRP)约束再生混凝土圆柱试件的轴压试验，结果表明：GFRP约束再生混凝土纵向应力应变关系呈弹性上升、弹塑性上升、下降、应变强化4个阶段，其承载力得到明显提高，变形能力得到改善.Mirmiran等[9]对GFRP管混凝土柱的轴压性能进行试验，结果表明：GFRP管能对混凝土提供有效约束，可提高混凝土强度和延性.张新越等[10]对FRP加筋混凝土短柱受压性能的试验研究表明：FRP筋混凝土短柱承载力有所提高，但是破坏显脆性，FRP筋与混凝土协同性较差.Kobayashi等[11]通过GFRP筋、CFRP筋和AFRP筋混凝土柱的轴压试验结果表明：在混凝土压碎时FRP筋保持完好，且破坏时混凝土的压应变远小于FRP筋的压应变，建议FRP筋混凝土柱的极限抗压承载力可以忽略FRP筋对承载力的贡献.

但FRP管和FRP筋组合轴压柱都有其不足：FRP管组合结构为脆性破坏，变形较大；FRP筋组合柱中无法完全发挥FRP筋的抗压性能，对承载力提高有限.为解决以上不足，本文提出FRP管混合配筋混凝土组合柱，其中FRP材料选用玄武岩纤维增强复合塑料(BFRP)，通过BFRP管和BFRP筋的组合配置，使构件出现稳定的二次刚度，减小构件的塑性变形，提高构件承载力的同时，减小其震后残余变形，有利于震后的修复加固[12].

为更好地了解该类构件轴压力学性能和工作机理，本文通过4根BFRP管混合配筋混凝土短柱和3根不同对比柱的轴压试验，研究其轴压力学性能及影响因素，并探讨其承载力计算公式.

1 试验概况

1.1 试件的设计与制作

1.1.1 试件的设计

共设计4根BFRP管混合配筋混凝土短柱和3根不同对比柱，主要参数为BFRP层数、混合配筋率、截面尺寸.所有试件的长径比均为3(L/D=3)，配筋为均匀配筋方式，纵筋率均为1.5%，典型配筋形式如图1所示，试件编号及具体参数如表 1所示.其中，Fu为极限承载力试验结果，m为BFRP管层数.

表 1 试件的参数及结果Tab.1 Parameters of specimens and results

编号：A-轴压、B-有BFRP筋，A0/B-X中X表示BFRP管层数；ABD-W(X)表示短柱(D)直径为W，X仍表示BFRP管层数，该类试件直径及长度不同于其他组，按此编号,以示区别.

图1 典型试件截面详图(单位：mm )Fig.1 Sectional detail of typical specimen(unit:mm)

图2 BFRP管制作流程Fig.2 Production process of BFRP tube

1.1.2 试件制作

该试件的制作关键在于BFRP管的制作，BFRP管制作流程如图2所示.BFRP管成型后，根据实际情况制作钢筋笼，最后再浇筑混凝土并在常温下养护成型，待混凝土养护5 d左右，柱头两端打磨平整，保证试验安装时对中良好.为避免柱头由于应力集中提前破坏，在柱头处多粘贴3层的BFRP纤维条带.

1.1.3 材料特性

混凝土为425号普通硅酸盐水泥；最大粒径为20 mm碎石；中砂；每立方米质量配合比为水∶水泥∶砂∶碎石=0.59∶1∶2.32∶2.88.在与试验试件相同养护条件下，以混凝土标准立方体试件(150 mm×150 mm×150 mm)试验，得到立方体抗压强度平均值为22.16 MPa，轴心抗压强度标准值为14.85 MPa.箍筋采用直径为6 mm和8 mm光圆钢筋，纵筋采用直径为12、14、16 mm的HRB400热轧带肋钢筋.每个不同直径的钢筋取3个标准拉伸试样，直径Φ、屈服强度fy、弹性模量E、屈服应变εy、延伸率ε′见表 2.

表2 钢筋力学性能Tab.2 Mechanical properties of reinforcement

表3 玄武岩纤维实测力学性能Tab.3 Mechanical properties of basalt FRP

1.2 静力试验

图3 试件的加载全貌Fig.3 Photographs of test setup

1)加载装置.试验在福州大学岩土馆试验室500 t压力机上进行.试件截面按间隔90°各粘贴四片纵向及环向电阻应变片，测定中截面的纵向应变和环向应变.在两侧对称位置上选取两根钢筋和BFRP筋，在其中截面粘贴应变片以测得钢筋和BFRP筋的纵向应变.在试件柱两侧对称的位置布置两个线性位移计，测量试件在受压过程中的纵向变形，如图3所示.

2)加载制度.试验采用分级加载制，每级加载为有限元预测极限荷载的10%，加载至有限元极限荷载的80%时每级加载为极限承载力的5%，考虑到混凝土徐变的影响，每级均持荷2 min，接近破坏时慢速连续加载.

1.3 试验现象

轴压构件的试验破坏形态见图4.对于A0-0和AB-0试件，由于没有环向约束，混凝土较早出现微裂缝，随着荷载的不断增加，裂缝迅速扩展并且合并，连接成纵向劈裂裂缝，从而造成整体破坏.对于其余有包裹BFRP管的轴压短柱在受力初期变形不明显，当荷载到达极限荷载70%左右时，构件中部附近出现环向条纹，BFRP管发白；加载到极限荷载后中截面的BFRP管突发爆炸性的断裂，出现一条纵向裂缝，由于纤维布的抗撕裂性能较差，裂缝向两端延伸，为强度破坏.由于核心钢筋笼的约束，使得该新型组合构件不会像约束混凝土构件一样，纤维管断裂后，核心混凝土爆裂、飞溅.BFRP管断裂后，荷载突降，当下降到普通钢筋混凝土柱承载力后稳定，BFRP层数越多，试件承载力突变的幅度越大.进入下降段后，随着变形的持续增长，破坏过程仍在继续，混凝土裂缝不断发展和压碎，混凝土保护层脱落.最后由于混凝土保护层的脱落，使得钢筋和BFRP筋失去足够的约束，从而钢筋发生侧向屈曲，BFRP筋则压断.

图4 各轴压试件破坏形态Fig.4 Failure modes of specimens

2 试验结果与分析

2.1 荷载-纵向应变曲线

试件的荷载-纵向应变关系曲线见图5，混合配筋对极限承载力的影响见图6.从图5可见，在加载初期，曲线为线性发展，处于弹性阶段；当荷载F达到极限荷载Fu的60%左右之后，试件进入弹塑性阶段，纵向应变的增长速率超过荷载的；随着荷载的继续增加，构件进入强化阶段.当F达到Fu后，曲线出现下降段.由试验可知，试件达到极限荷载的标志是BFRP管断裂.BFRP管断裂后，荷载突降，纵向应变增加不明显，随后F缓慢下降，纵向应变增加明显.

图5 试件荷载-纵向应变关系Fig.5 Loads-longitudinal strain curves of specimens

另外，从图5(a)中可见，混合配筋提高了构件的承载力和变形能力，混合配筋对承载力的提高幅度分别为5.79%、7.5%，表明混合配筋对轴压构件的极限承载力的提高幅度有限,如图6所示.从图5(b)、(c)还可见，BFRP管层数和截面尺寸的增加均可以提高试件的承载力和刚度.定义试件的极限承载力相对于对比构件极限承载力的提高百分比为极限承载力提高率γ，则关系曲线如图7所示，其中γm、γD分别为与层数和试件直径相关的提高率.可见，承载力的提高率随着m和D的增加而近似线性增加.

图6 混合配筋对极限承载力的影响Fig.6 Effect of hybrid reinforced on ultimate capacity

图7 BFRP管层数、试件直径与极限承载力关系Fig.7 Relationship between the layers,diameter and the ultimate capacity

为了考察BFRP管混合配筋轴压柱的延性，定义延性系数数学表达式如下：

其中:εu和εy为极限荷载时和钢筋屈服时对应的纵向应变.DI结果见表 1，从表中可以看出，延性系数随着BFRP管层数的提高而提高，随着截面尺寸的增大而减小，且混合配筋也一定程度上减小了构件的延性，表明混合配筋减小了构件的塑性变形，从而有利于减小构件残余位移.

2.2 典型的应力-应变关系曲线

图8 典型应力-应变关系曲线Fig.8 Typical stress-strain relationship curve

BFRP管混合配筋短柱的典型的应力(M)-应变(ε)关系曲线见图8，其中虚线为普通钢筋混凝土柱的典型曲线.其中横坐标正值表示环向应变受拉，负值表示纵向应变受压.从图中可以看出，在极限应力前的轴力-应变曲线可近似分为三个阶段：线性弹性阶段(OA)，弹塑性阶段(AB)和线性强化段(BC).加载初期，核心混凝土保持完好，试件处于弹性阶段，应变均较小，与钢筋混凝柱相同；随着荷载增加到A点，混凝土开裂膨胀，内部的钢筋笼无法有效约束混凝土，BFRP管开始发挥环箍效应，此时应变增长大于应力，而由于BFRP管的约束，刚度大于混凝土柱；应力达到B点时，钢筋屈服而进入强化段(BC)，BFRP管的约束作用迅速增大，此时BFRP管的刚度决定了强化段的刚度.对于纵向应变，达到极限点C时，由于BFRP管退出工作，应力突降为未约束混凝土柱强度D点后缓慢下降.

两类构件对比发现，BFRP管的存在提高了混凝土的峰值压应变，提高了构件的变形性能，同时BFRP管混合配筋柱下降段塑性变形量相对钢筋混凝土柱较小，从而该新型构件有效减小了构件的残余塑性变形.由于BFRP管和混合配筋的作用，使构件存在明显的二次刚度，提高构件承载力，减小残余变形.

2.3 工作机理

对于BFRP管的约束作用机理可通过横向变形系数分析(见图9)，BFRP管的泊松比一般为0.26～0.28.从图中可以看出，在加载初期，承载力主要由核心钢筋混凝土承担，BFRP管未发挥约束作用处于弹性阶段，此时横向变形系数v均小于或者接近0.28；随着承载力的增加，混凝土发展微裂缝进入弹塑性阶段，v迅速发展并超过0.28，BFRP管开始发挥环箍作用；当钢筋屈服后进入强化段，横向变形系数急剧增加并远大于0.28，表明BFRP管承受主要荷载，此时构件存在明显的二次刚度，提高构件的承载力，减小构件残余变形.达到极限点后，BFRP管断裂失去约束效应，退化为未约束钢筋混凝土构件，随着混凝土的压碎、钢筋的屈服和BFRP筋的压断，承载力缓慢下降.

图9 典型轴压试件横向变形系数Fig.9 Transverse deformation coefficient of typical specimen

图10 不同截面尺寸与极限抗压强度的关系Fig.10 Relationship between the diameter and the ultimate compressive strength

2.4 尺寸效应现象

通过分析计算不同直径的构件的试验数据，得出不同直径的构件的混凝土强度，见图10.从前文可知，承载力Fu随着截面直径D的增大而增大，而混凝土强度随着D的增大而降低，表明几何相似(本文试件长度与直径比值为1∶3)的该新型组合构件存在尺寸效应现象.

3 承载力简化计算公式

3.1 承载力简化公式

该组合柱主要依靠约束核心混凝土和纵向钢筋承担轴力，假定受压时各组成部分协同工作良好.在此基础上，轴压短柱简化公式如下：

3.2 约束混凝土的极限强度fcc和极限应变εcc

目前约束混凝土的极限强度和极限应变应用较广泛的是Richart et al.关系式：

3.3 尺寸效应修正

图11 计算值与试验值对比图Fig.11 Comparison between calculated and experimental values

式中：Dc为圆柱体混凝土试件的直径.则经过尺寸效应修正后的约束混凝土抗压强度为γufcc，fcc由式(4)得出.

3.4 公式验证

将式(4)～(5)分别代入式(2)，即可计算出该组合短柱的承载力，计算结果Fc见表 1.试验值与计算值的比值Fu/Fc平均值为1.017，均方差为0.003 894.此外本文还搜集了文献[15-16]的数据来验证本文的公式，结果如图11所示，其中：Fcc为试验实测数据(含其他人的)，两条虚线为误差±15%的区间.总体说来，本文计算结果与实测结果吻合较好，计算过程与计算方法均简单明了.

4 结语

1)BFRP管混合配筋混凝土轴压短柱的破坏属于强度破坏，极限承载力以BFRP管断裂为标志；试件承载力和刚度随着纤维体积含量和截面尺寸的增加而增加，混合配筋对其提高幅度有限，且该组合构件存在尺寸效应现象.

2)BFRP管混合配筋柱存在稳定的二次刚度，提高构件承载力而减小残余位移，有利于震后修复加固.

3)BFRP管混合配筋混凝土短柱的荷载-应变曲线在极限荷载前可分为弹性阶段、弹塑性阶段和强化段阶段；构件达到极限荷载后，承载力突降为无约束钢筋混凝土短柱承载力后缓慢下降.

4)提出该组合构件的轴压短柱承载力计算公式，约束混凝土强度和峰值应变回归公式，并给出尺寸效应修正系数，经验证计算结果良好.

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(责任编辑：蒋培玉)

Study on axial compression behavior of hybrid reinforcement concrete stubs reinforced by BFRP with resilience

WU Wenjun,JIANG Shaofei,LIN Quan

(College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350116,China)

Hybrid reinforced concrete-filled fiber reinforced polymer tubular columns were proposed so as to achieve the higher bearing capacity and smaller residual displacement simultaneously,improve the post-earthquake recoverability.Three design parameters,namely fiber rate,sectional dimension and mixed reinforcement ratio,are considered and thus 4 hybrid reinforced concrete-filled fiber reinforced polymer tubular columns and 3 contrast columns were prepared and tested under uni-axial load.The results indicate that failure modes of the columns are strength failure.With the fiber rate and section dimension increasing,the columns show a remarkably decreasing trend in the bearing capacity and stiffness.However,the effect of hybrid reinforcement on the increase extent is limited.Meanwhile the members have the stable post-yield stiffness.The typical stress-strain curve consists of elastic stage,elastic-plastic stage and strengthening stage.The capacity suddenly drops after reaching the ultimate bearing capacity and declines steady when the specimen achieves the bearing capacity of unconstrained reinforced concrete column.Finally an empirical formula is proposed for calculation the capacity,and the analytical values from the formula agree well with experimental results.

BFRP tube; hybrid reinforcement; axially loaded column; resilience; post-yield stiffness

10.7631/issn.1000-2243.2017.02.0167

1000-2243(2017)02-0167-06

2015-12-24

姜绍飞(1969-)，福建闽江学者计划特聘教授，主要从事结构健康检测与组合结构研究，cejsf@fzu.edu.cn

国家自然科学基金资助项目(51278127); 国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2015BAK14B02-06)

TU398

A