偏心距对钢-连续纤维复合筋混凝土柱受压性能影响试验研究

严卫华, 蔡 陈, 葛文杰, 宋婉蓉, 陈秋兵

(扬州大学, 江苏 扬州 225127)

钢筋混凝土结构在恶劣环境下,环境中的有害因子侵入混凝土,导致混凝土内部钢筋锈蚀[1-2]。锈蚀后的钢筋体积膨胀,结构开裂,混凝土保护层剥落,致使结构耐久性不足,影响结构使用寿命，给各国造成巨大的经济损失[3-5]。随着FRP筋的兴起,其在混凝土结构中应用也越发广泛。但FRP筋为线弹性材料,不存在类似钢筋的屈服平台,将其应用于混凝土结构中常常会导致结构延性较差,破坏时无预兆。FRP筋混凝土结构的设计及破坏判别不能完全参照钢筋混凝土结构。一般将FRP筋设置成超筋破坏的形式,即在FRP筋断裂之前让受压区混凝土先被压碎,以此来确保试件的安全性[6-7]。

国内外学者综合考虑了FRP筋与钢筋的优缺点,提出了新型混杂筋的概念。Nannni[8]以普通钢筋为中心外层缠绕芳纶纤维,通过试验表明改混杂筋具有一定的延性,但在腐蚀环境下其内芯钢筋仍然不具有耐腐蚀性。郑百林[9-10]等人提出包覆筋概念,在钢筋等金属材料的基础上,外包FRP筋材料。并利用层合板理论对新设计的筋材进行理论推导得出预测的应力-应变曲线。东南大学吴刚、罗云标[11-14]等提出并制备了钢-连续纤维复合筋(SFCB),并提出了工业化制备的生产过程和关键工艺。近年来对SFCB混凝土结构的研究也逐渐兴起。综合目前对SFCB混凝土结构的研究发现,主要的研究集中在SFCB力学性能、SFCB混凝土结构的抗震性能和SFCB混凝土结构的受弯性能方面,对SFCB混凝土结构的受压性能研究较少。本文通过对7根SFCB混凝土柱进行静力受压试验,研究了偏心距对SFCB混凝土柱受压性能,分析了其承载能力、破坏形态、挠度和裂缝方面的变化规律。

1 试验方案

1.1 试件设计

试验均为偏心受压混凝土柱，设计制作了7根SFCB混凝土柱。纵向受力筋总直径12mm,内芯钢筋等级为直径6 mm的HRB400级螺纹钢筋,外包3mm厚玄武岩纤维,记为S6B20，箍筋采用直径为8mm的HRB400钢筋。试件详细参数见表1,试件配筋示意图见图1。

表1 试件详细参数

1.2 试验材料

混凝土采用C35细石商品混凝土,纵筋保护层厚度为20mm,经测试,筋材屈服强度为150.2MPa,极限强度为798.5MPa,屈服前弹性模量为72.2GPa,屈服后弹性模量为30.6GPa,屈服应变为2.1×10-3,极限拉应变为23.2×10-3。实测混凝土立方体抗压强度平均值fcu,m=43.85MPa,轴心抗压强度标准值fck=28.87MPa,抗拉强度标准值ftk=2.74MPa,抗压弹性模量Ec=33.29GPa。

1.3 试件制作

浇筑试件同时预留立方体试块,用于测试立方体抗压强度。浇筑完成两周后拆模。养护初期每天至少进行2次洒水养护,两周后每周至少进行2次洒水养护,约28天后养护完成。立方体试块随试件同条件养护。

2 试验加载方案及测量内容

2.1 试验加载方案

试验在扬州大学结构实验室进行。采用YAJ-5000试验机进行两端铰支式偏心加载。加载时,每级持荷5min。接近破坏时,每级持荷10min。持荷过程中,待仪表读数稳定后记录数据,并描绘裂缝走势图。试验加载见图2。

2.2 测量内容

(1)侧向挠度。在试验柱分别架设5个百分表,测量两个接近1/4分隔点、两个靠近上、下柱端以及柱中心点的位置侧向挠度。(2)柱中混凝土沿截面高度方向的平均应变。在试验柱柱中侧面沿高度方向布置5组千分表。(3)纵筋应变。在每根纵筋两侧粘贴两个应变片,数据由应变仪测得。(4)混凝土压应变。试件受压区中部等间距粘贴两个应变片,数据由应变仪测得。(5)裂缝。采用ZBL-F130裂缝宽度观测仪对每级荷载作用下裂缝宽度进行测量,并用细毛笔绘制裂缝走势图。

3 试验现象

Z2柱加载至100kN,在柱中上方出现两条水平向细微裂缝,长约15mm。继续加载,裂缝数量不断增多,宽度和长度发展缓慢。当荷载加至240kN,7条裂缝全部出现,此时最大裂缝宽度为0.09mm,裂缝间隔约100mm均匀分布于受拉侧。继续增加荷载至420kN,受压区混凝土被压碎,试件破坏,此时受拉侧纵筋未屈服,破坏时最大裂缝宽度为0.17mm。试件破坏形态见图3(a)。

Z3柱加载至40kN,受拉侧出现4条水平向细微裂缝,分布于柱中,间隔120mm,大致呈均匀分布。随着荷载的增加,裂缝延伸很快,荷载加至60kN时,下方第二个测点处两侧同时出现两条裂缝。加载荷载80kN以上,裂缝延伸很慢,宽度不断增加。荷载加至140kN,裂缝全部出齐,共9条裂缝,相邻裂缝之间间隔约120mm。荷载加载至159kN,受拉侧纵筋屈服。荷载加至215kN,受压区混凝土被压碎,试件破坏,此时最大裂缝宽度为0.58mm。试件破坏形态见图3(b)。

Z4-Z7试件的破坏形态与Z3基本相似,均为纵筋达到屈服强度后,受压区混凝土被压碎。参考钢筋混凝土结构理论中大小偏心受压破坏原理,将SFCB混凝土柱在受拉纵筋屈服前混凝土被压碎定义为小偏心受压破坏,在受拉纵筋屈服之后混凝土被压碎定义为大偏心受压破坏。各试件开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和破坏类型对比见表2。

表2 试件承载力特征值和破坏类型对比表

从表2中可以看出,随着偏心距的增大,试件极限承载力逐渐降低。与偏心距30mm时极限承载力相比,偏心距210mm时极限承载力降低了82.6%,承载力降幅较大,在小偏心受压转变为大偏心受压时承载力出现大幅度下降,降幅约48.7%,随后承载力降低速度变缓。

4 试验结果分析

4.1 平截面验算

通过量测加载过程中的截面上千分表数据,经过换算可得出混凝土截面沿高度方向的平均微应变。纵筋应变由数据采集仪直接读取。截面沿高度方向的平均微应变与纵筋应变分布见图4。

从开始加载到最终破坏,混凝土截面平均应变沿高度方向的分布均近似为直线分布,纵筋应变与对应位置混凝土应变基本相同,混凝土与内部纵筋能协同变形无滑移,基本符合平截面假定。

4.2 荷载-挠度曲线

图5给出了试验中测得各级荷载作用下柱中荷载-挠度曲线。相同荷载作用下,偏心距越大,随荷载-挠度曲线的切线斜率逐渐减小,柱中挠度逐渐增加。Z2到Z3试件,破坏形式由小偏心受压破坏转为大偏心受压破坏,挠度增加明显。Z3-Z7破坏形态相似,偏心距不断增加,到Z7试件时,偏心距已经达到最大值210mm,挠度增大速度相比其他试件要快很多,在图中表现为荷载-挠度曲线斜率较小。以Z2和Z3相比较,在25 kN后,挠度出现明显区别,在100 kN时Z2试件挠度仅为Z3试件挠度的16.7%,在200kN时仅为Z3的6.8%,相差数值呈快速增大趋势。

4.3 荷载-筋材应变曲线

图6给出了各级荷载作用下荷载-筋材应变曲线。图中(1)数据表示离轴向力较近一侧筋材,(2)表示离轴向力较远一侧的筋材,两者其他参数相同。其中Z1(2)、Z2(2)是小偏压柱,筋材应变小于复合筋屈服应变,远离轴向力一侧筋材没有屈服。Z3(2)-Z7(2)应变均大于屈服应变,筋材受拉屈服。随着偏心距的增大,远离轴向力一侧筋材应变增大速度加快。其中偏心距最大的试件Z7在混凝土压碎时,远离轴向力一侧筋材应变接近14.0×10-3。在相同荷载作用下,偏心距越大，离轴向力较远一侧筋材拉应变越大,离轴向力较远一侧筋材强度的利用率也在提高。

4.4 荷载-混凝土压应变曲线

图7给出了各级荷载作用下荷载-混凝土压应变曲线。随着偏心距的增加,荷载-混凝土压应变的切线斜率逐渐减小。偏心距越大,受拉区纵筋拉应变越大,受压区混凝土压应变越大。随着偏心距不断增大,单位受力下混凝土应变快速增长,尤其是偏心距较小时,增长更加明显,荷载-混凝土压应变曲线斜率迅速降低,随着偏心距不断增大,应变增长速度变缓。

4.5 裂缝

图8给出了各级荷载作用下裂缝宽度图。随着荷载的增加,裂缝宽度逐渐增大。发生大偏心受压破坏的Z3-Z7试件的裂缝宽度增大速度要明显快于小偏心受压试件Z2和Z3。

试件Z1、Z2发生小偏心受压破坏,裂缝宽度从开始出现到试件破坏均较小。Z3-Z7发生大偏心破坏。小偏心受压柱Z2和大偏心受压柱Z3柱相对比，试件Z3开裂荷载为试件Z2的60%,极限荷载为48.7%,最大裂缝宽度相差2倍。大偏心受压柱比小偏心受压柱裂缝宽度开展快,宽度更大,开裂荷载远小于小偏心受压试件。

5 结语

对7根不同偏心距的SFCB混凝土柱偏心受压性能进行了试验研究,得到以下结论:(1)SFCB混凝土柱在试件开裂前筋材和混凝土能够有良好的协同变形能力,在开裂之后,SFCB柱挠度增加较快,挠度增长速度较快,偏心距增大,挠度增长涨幅度逐渐减慢。(2)随着偏心距不断增大,SFCB柱试件承载能力不断下降,在小偏心转变为大偏心时强度下降最快,降幅可达48.7%,同时裂缝开展加剧,小偏心与大偏心试件最大裂缝宽度相差可达两倍。(3)试件偏心受压性能与钢筋混凝土柱类似,偏心距越大,SFCB混凝土柱的柱中挠度越大,在小偏心与大偏心界限附近变化曲线有明显不同,大偏心试件挠度增长速度远快于小偏心试件,且随荷载增长,大偏心试件裂缝与小偏心试件裂缝差值越来越大,偏心距越大时远离轴向力一侧SFCB的拉应力和受压区混凝土压应变也越大。