长轴短轴比对椭圆形GFRP约束混凝土轴压性能的影响

张 冰,冯贵森,2,魏 威,张宁远,张千标,胡夏闽

(1.南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京 211800；2.同圆设计集团有限公司,山东 济南 250101)

纤维增强树脂基复合材料(FRP)具有极佳的耐腐蚀性能,并且强度高、密度低。FRP可以用于钢筋混凝土梁的抗弯、抗剪加固和钢筋混凝土柱的抗震加固等,目前已在结构加固领域得到了大量应用[1-3]。研究表明,FRP能够有效地提高圆形FRP约束混凝土柱的承载能力,并增加其在地震荷载下的延性[4-5]。在矩形FRP约束混凝土柱中,由于混凝土膨胀的不均匀性,FRP对核心混凝土的约束并不均匀,FRP不能得到充分利用[6]。为了给核心混凝土提供有效的约束,逐渐出现了将矩形截面优化成椭圆形截面,再应用FRP进行约束的方法[7-8]。目前,国内外关于椭圆形FRP约束混凝土柱的相关研究尚少。如果照搬圆形约束混凝土的设计理论和方法,由于椭圆形FRP约束混凝土的应力分布及约束机制与其不同,得到的计算结果将不可靠,有可能偏于不安全。

Teng和Lam[9]最早对椭圆形碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)约束混凝土柱进行了轴压试验,测试了较小尺寸的试件,采用了CFRP作为约束材料,试验参数包括CFRP厚度和长轴短轴比。Pavin和Schroeder[10]基于有限元软件MSC.Marc对椭圆形FRP约束混凝土柱在偏压下进行了模拟,参数包括偏心荷载、FRP厚度和纤维角度等。Moran和Pantelides[11]基于Mohr-Coulomb模型提出了轴压作用下椭圆形FRP约束混凝土的应力-应变模型。Yan等[7-8]对矩形截面混凝土柱优化为椭圆形FRP混凝土柱进行了研究,其优化方法为:将椭圆形FRP管套在矩形的混凝土柱上,并在管与柱的缝隙中填充膨胀混凝土,以使椭圆形FRP管产生环向预拉力。Teng等[12]进行了小尺寸的椭圆形FRP约束混凝土柱的轴压试验,采用了CFRP作为约束材料,以长轴短轴比、混凝土强度和CFRP厚度为主要参数,并基于ABAQUS有限元程序进行分析,提出了可直接在工程设计中应用的应力-应变模型。

为了进一步研究椭圆形FRP约束混凝土柱在轴压下的性能,笔者进行椭圆形FRP约束混凝土的轴压性能试验,并首次采用玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)作为约束材料,试件的长轴尺寸为300 mm,高度为600 mm,主要研究参数为长轴短轴比(1.0、1.2、1.5和2.0)和GFRP厚度(1.05和2.10 mm)。

1 试件设计与制作

本文的主要研究参数包括试件的椭圆形截面的长轴短轴比和GFRP厚度，见表1,其中长轴短轴比为1.0的试件即为圆形截面的试件。每层GFRP的名义厚度为0.35 mm，使用3层和6层GFRP,厚度分别为1.05和2.10 mm。所有椭圆形试件均采用钢模板进行混凝土浇筑。在浇筑试件时,预留了3个直径150 mm、高300 mm的混凝土强度试件。混凝土浇筑3 d后拆模,15 d后采用湿黏法缠绕包裹浸润树脂的玻璃纤维单向纤维布于试件表面,GFRP的搭接长度为150 mm,布置于试件的长轴一侧。为防止试件在轴向加载时发生端部破坏,在试件的上下两端分别额外缠绕了4层GFRP加固条带。在轴压试验之前,采用高强石膏对试件端部进行找平。

表1 试件详细参数

图1 GFRP抗拉试验Fig.1 Standard tensile tests of GFRP

2 轴向抗压试验

如图2所示,本试验采用了3种方法测量试件的轴向变形:①在GFRP外表面高度中部均匀布置了4个轴向应变片(测点V1—V4),应变片的标距为20 mm;②在试件中部布置了4个LVDT传感器以测量试件中部300 mm范围的轴向变形(LVDT-300);③在试件高度的中部布置了2个LVDT传感器以测量试件通长的变形情况(LVDT-600)。本试验在GFRP外表面沿环向布置了10个环向应变片(测点H1—H10)以测量GFRP的断裂应变。试验在南京工业大学结构实验室进行。试验中所有试件的单调轴向加载都在1 000 t液压伺服压力机上完成,采用加载速率为0.6 mm/min的位移控制加载模式。本试验采用TST3828E型动静态应变测试仪对试件的GFRP环向应变和轴向应变、LVDT读数等进行了采集。

图2 试验布置Fig.2 Experimental set-up

在加载初期,荷载上升迅速,此时轴力主要由混凝土承担,GFRP约束效果很弱。当轴向应变达到素混凝土的峰值应变(0.002 6)附近时,可以听到混凝土破碎的声音,在GFRP的表面出现白斑,并且伴随着试验的进行,白斑增多,即此时GFRP出现损伤。对于试件EC3-F3、EC4-F3、EC2-F6、EC3-F6和EC4-F6,在加载过程中出现了轴力突然下降的情况。随着试验进行,GFRP表面白斑增多,持续发出密集的“噼啪噼啪”的纤维断裂声直至GFRP纤维突然纵向断裂失效,试件破坏,并伴随有剧烈的爆裂声。图3给出了部分试件的破坏图。GFRP断裂位于试件的长轴顶端位置。

图3 试件破坏图Fig.3 Falure diagrams of specimens

图4给出了全部试件的轴向荷载-应变关系曲线。由图4可见：试件EC1-F6表现出典型的GFRP约束混凝土的双线型应力-应变关系;试件EC2-F6、EC3-F6和EC4-F6在荷载突然下降之后,试件承载力又继续上升;而对于EC2-F3、EC3-F3和EC4-F3在荷载突然下降之后,试件承载力维持在一定的数值直至试件破坏。经比较分析,采用试件中部的轴向变形(即LVDT-300的数据)能更真实反映试件的轴向应变,因此笔者采用了LVDT-300的数据作为试件的轴向应变。表2为主要的轴向抗压试验结果,表中Pc为试件的极限轴向荷载，fcc为约束混凝土的极限轴向应力，εcu为约束混凝土的极限轴向应变，εhrup为试件破坏时环向应变片测得数据的平均值(GFRP搭接区应变片不计)，εhrup,max为试件破坏时测到的环向应变最大值，fcc/f′co为约束混凝土强度提高系数，εcu/εco为约束混凝土的轴向应变提高系数。

图4 轴向荷载-应变曲线Fig.4 Axial load-strain curves

表2 试验结果

3 分析与讨论

本文试验可根据GFRP的层数将试件分为两组,以研究椭圆截面长轴短轴比的影响。图5给出了两组试件的轴向应力-应变关系曲线。由于GFRP中的纤维为环向缠绕,可忽略其直接对轴向应力的贡献,即GFRP只对混凝土起约束作用。轴向应力由试件的轴向承载力除以混凝土的截面面积得到;轴向应变采用试件中部LVDT-300的数据。如图5所示：长轴短轴比对核心混凝土的强度和延性有较大的影响;在GFRP厚度相同的情况下,随着椭圆截面长轴短轴比的增加(即截面椭圆度越来越大),约束混凝土的轴向极限应力、极限应变都随之明显减小。由此说明,随着椭圆截面长轴短轴比的增加,GFRP对内部混凝土的约束作用变弱。显而易见,当椭圆形GFRP约束混凝土柱的长轴短轴比为1,即试件为圆形截面时,GFRP对内部混凝土的约束性能发挥最好。究其原因,椭圆截面长轴短轴比的增加对GFRP的真实断裂应变产生不利影响,从而降低了GFRP对混凝土的约束效果。

图5 长轴短轴比对约束混凝土轴向应力-应变关系的影响Fig.5 Effects of the long-axis and short axis ratio on the stress-strain curves of confined concrete

为了比较GFRP厚度对约束混凝土轴压性能的影响，图6给出了相同长轴短轴比的3组试件的轴向应力-应变关系曲线。如图6所示,GFRP厚度的增加对约束混凝土的轴压性能有较为明显的增益效果,即随着GFRP厚度的增加,约束混凝土的峰值应力和极限轴向应变都有所提高。

图6 GFRP厚度对约束混凝土轴向应力-应变关系的影响Fig.6 Effects of the GFRP thickness on the stress-strain curves of confined concrete

为便于实际工程中的设计使用,Teng等[12]利用试验数据与有限元分析提出了可用于预测FRP约束椭圆形混凝土应力-应变关系的设计模型,该模型为“抛物线+直线”双线型形式,该模型在圆形FRP约束混凝土设计模型的基础之上,在FRP约束刚度比(ρk)中引入了FRP在椭圆形截面柱中的体积比(ρFRP),从而突出了FRP约束刚度对约束混凝土应力的显著影响。模型表达形式见式(1)—(3)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：A为椭圆截面长轴半径,B为椭圆截面短轴半径,EFRP为FRP弹性模量,t为FRP厚度。对于椭圆形截面,ρFRP参数的设定考虑了椭圆截面尺寸对FRP约束刚度的影响。

此外,Teng等[12]基于圆形FRP约束混凝土极限状态的表达式,将椭圆形截面通过参数K(ρk)将其转换为圆形截面进行计算,得到椭圆截面FRP约束混凝土的极限应力和极限应变表达式,见式(6)—(11)。

(6)

(7)

(8)

(9)

εhrup=kskεεfu

(10)

(11)

式中：kε为FRP有效应变比,取值0.7；εfu为FRP拉伸极限应变,由材性试验得到。

选取本文椭圆形GFRP约束混凝土的试验数据,图7和8从应力-应变曲线和极限状态的预测两个方面对Teng等[12]模型(Teng2016模型)的准确性及可靠性进行验证。由图7和8可见:对于各试件的极限轴向应变及峰值应力,Teng等[12]提出的关于椭圆形FRP约束混凝土的应力-应变模型与本文试验数据有较好的吻合性;除圆形试件EC1-F6具有明显的双线型应力-应变曲线外,试件EC2-F3、EC2-F6、EC3-F3、EC3-F6、EC4-F3、EC4-F6均在加载过程中,出现了力的突降或抖动现象(图5),从而使得该类试件的应力-应变曲线中的峰值应力并未与极限轴向应变同时出现,该现象主要与GFRP约束刚度不足以及内部约束混凝土的脆性破坏对试件的影响程度有关,但Teng2016模型中并未将其进行考虑。由此可见,根据Teng等[12]提出的椭圆形FRP约束混凝土应力-应变关系的设计模型,考虑了ρFRP之后的ρk应不小于0.1,以保证混凝土得到充分约束。椭圆形FRP约束混凝土应用于实际工程时,建议采用膨胀更为均匀、脆性更小的普通强度混凝土,适当根据长轴短轴比提高FRP约束刚度比,以避免荷载在峰值应变处的突降,增加其约束混凝土在服役过程中的安全性及可靠性。

图7 Teng2016模型曲线与试验结果的比较Fig.7 Comparison between Teng2016 model curves and test results

图8 Teng2016模型极限状态与试验结果的比较Fig.8 Comparison between Teng2016 model limit states and test results

4 结论

1)所有试件的破坏都是由试件高度中部的GFRP纤维断裂引起的,并且GFRP断裂的位置处于椭圆形截面长轴的顶端。

2)长轴短轴比对核心混凝土的强度和延性有较大的影响;在GFRP层数相同的情况下,随着椭圆截面的长轴短轴比的增加(即截面椭圆度越来越大),约束混凝土的轴向极限应力、极限应变都随之减小。这是由于椭圆截面长轴短轴比的增加对GFRP的真实断裂应变产生不利影响,从而降低了GFRP对于混凝土的约束效果。

3)GFRP层数的增加对约束混凝土的轴压性能有较为明显的增益效果,即随着GFRP层数的增加,约束混凝土的峰值应力和极限轴向应变都有所提高。

4)以本文椭圆形GFRP约束混凝土的试验数据验证Teng2016模型的准确性及可靠性，该模型对约束混凝土的极限状态具有较好的预测作用,但该模型并未考虑试件在加载过程中有可能出现的力的突降或抖动现象对应力-应变曲线的影响。