FRP筋-钢筋增强ECC-混凝土组合柱抗震性能研究

2021-08-27赵修远

工程力学 2021年8期

袁方，赵修远

(1.广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，深圳大学土木与交通工程学院，深圳518060；2.华东交通大学土木建筑学院，南昌330013)

我国海岸线总长度达3.2万km，沿海地区每年因工程结构钢材锈蚀导致的经济损失不可估量。FRP筋具有强度高、密度低和耐腐蚀等优点，用FRP筋代替钢筋能够避免因钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀开裂、混凝土保护层脱落及结构承载力下降等问题[1−6]。同时，我国是一个多地震国家，2000年后不少地区的地震活动较为频繁和活跃，仅2008年汶川地震就造成数以万计的房屋倒塌，经济损失高达上千亿。因此，对FRP筋混凝土构件抗震性能的关注显得尤为必要。

高延性纤维增强水泥基复合材料(engineered cementitious composites，ECC)是具备超高韧性和多裂缝开展机制的新型建筑材料，在2%的纤维体积掺量下极限拉应变稳定地超过3%，极限拉应变下对应的平均裂缝宽度在100µm 以下，能够有效提高工程结构的安全性、耐久性和可持续性[15−18]。已有研究结果表明，在往复荷载作用下，ECC损伤容限能力很强，裂缝间纤维桥连作用能将基体连接成一个整体，始终能为筋材提供稳定的约束和有效的约束[19]。ECC高韧性特点使其能与筋材协调变形、协同工作，避免了纵筋的应力集中现象和因纵向劈裂裂缝引起的基体剥落[20]。另外，由于ECC峰值压应力下的应变能达到0.004左右(约为混凝土的2倍)，构件的延性和变形能力能够得到提高[21−22]。基于上述ECC特性，不难预料，将ECC替代混凝土用于FRP筋-钢筋复合增强柱构件能够有效避免因混凝土脆性性质导致的FRP受压失稳等缺陷。

相对于普通混凝土材料而言，ECC成本相对较高，约为混凝土的4倍[23]。由于钢筋混凝土压弯构件的钢筋屈服、混凝土剥落和曲率集中区域主要发生在塑性铰区，因此，基于性价比的综合考虑，本文提出将ECC仅应用于柱构件的塑性铰区域，形成ECC-混凝土组合柱，系统研究基体材料、筋材种类、轴压比等对柱构件破坏模态、裂缝模式、承载力、残余变形、延性和耗能能力等抗震性能指标的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文共设计了7根柱试件，包括1根混凝土构件和6根ECC-混凝土组合柱构件。对于组合柱构件，先浇筑混凝土，待混凝土初凝后再浇筑塑性铰区域ECC。为了使塑性铰首先出现在ECC区域，通过截面屈服弯曲强度的计算，ECC区域的浇筑高度定为400 mm，如图1所示。除基体材料外，还考虑了筋材种类(GFRP筋CFRP筋与/或钢筋)和轴压比(0.1、0.3或0.42)的影响，轴压比采用的是设计轴压比，为所施加的轴力N与混凝土轴心抗压强度fco及混凝土截面积Ag之积的比值。试件的截面尺寸均为b×d=250 mm×250 mm，柱高L均为1750 mm，加载点中心至柱底的距离为1600 mm。柱试件均连接在一个尺寸为450 mm ×900 mm×1050 mm 的基底上，如图1所示。纵向受力钢筋采用直径为16 mm 的钢筋或FRP筋，箍筋则采用的是直径为8 mm、间距为100 mm 的钢筋。由于FRP筋不能弯折，因此在端部采用了特殊的锚固方法避免FRP筋滑移失效：先将FRP筋插入制备好的螺纹钢套管中，然后用结构胶填充套管和FRP筋之间的间隙。表1列出了柱构件的详细信息。试件的命名规则如下：1) R 前面的字符代表增强类型，如GS和CS分别表示复合玻璃纤维增强聚合物(GFRP)-钢筋及复合碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢筋；2)R 后面的字符代表基体类型，其中C、E和EC分别表示混凝土，ECC和ECC-混凝土；3)连字符后的阿拉伯数字表示轴压比。

图1 构件尺寸及配筋/mmFig.1 Specimen details

表1 柱构件信息表Table 1 Information of column specimens

1.2 材料属性

混凝土和ECC的配合比如表2所示。为了测试ECC的拉伸延性，对尺寸为350 mm×50 mm×15 mm 的板件进行了单轴拉伸试验。ECC拉伸强度超过了5 MPa，极限拉伸应变接近4%，表现出良好的拉伸延性。此外，还浇筑了一批尺寸为10 mm×100 mm×100 mm 的ECC 和混凝土立方体试块，并进行了单轴压缩试验，试验时间与柱试验同步。ECC和混凝土的实测立方体抗压强度fcu分别为47.3 MPa 和35.8 MPa。同时，对GFRP筋、CFRP筋和钢筋均进行了单轴拉伸试验，各类筋材的力学性能参数如表3所示。

表2 ECC 和混凝土配合比Table 2 Mixture proportions

表3 钢筋和FRP筋的材性参数Table 3 Material properties of steel reinforcement and FRP bar s

1.3 加载装置

所有柱均在轴力和水平往复荷载下进行测试。基底首先由地锚固定，随后通过液压千斤顶将轴向荷载施加在柱的顶部，之后通过固定在反力钢框架上的MTS液压系统施加水平往复荷载。通过位移加载方案施加往复荷载，当水平位移小于8 mm 时位移间隔为2 mm，之后位移间隔为8 mm。每个位移等级循环2次。对于所有柱构件，当水平荷载下降至峰值荷载的85%时停止加载。在加载期间，MTS 数据采集系统自动采集水平位移和相应的反力。此外，在柱底附近的钢筋和FRP筋上设置了20个应变片，其中16个应变片布置在两根位于对角线位置的钢筋上，另外4个在对角的两根FRP筋上，间距均为80 mm。应变片的布置如图2所示，应变片的数据通过一台数据采集仪进行采集。

图2 钢筋和FRP 筋上应变片布置图Fig.2 Arrangement of strain gauges on steel bars and FRP bars

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态与裂缝模式

对于复合筋增强混凝土柱GSRC-0.3，在峰值荷载(46.95 kN)和相应的水平位移(32.06 mm)下观察到明显的混凝土剥落现象。由于失去侧向约束，受压侧的FRP筋在“爆炸”声中屈曲。随后，构件承载力随水平位移的增加而迅速下降。构件最终因混凝土压碎而发生破坏，破坏形态如图3(a)所示。在加载期间仅观测到约10条裂缝，所有裂缝都具有显著的裂缝宽度。在试验过程中没有出现FRP筋粘结滑移失效的迹象，表明了FRP筋锚固方案的有效性。

图3 构件破坏形态和裂缝模式Fig.3 Typical failure modes and crack patterns of columns

相比之下，复合筋增强ECC-混凝土组合柱(GSREC-0.3)没有发生基体剥落现象，如图3(b)所示。在极限状态下，柱底的ECC压碎，但裂缝间的纤维保证了其完整性。由此可知，ECC可为FRP筋提供稳定的约束，避免FRP筋的过早屈曲，从而提高试件的变形能力。组合柱最终因柱底ECC压碎而失效。在裂缝集中开展之前，沿着柱高出现了大量的细密裂缝。与混凝土柱相比，组合柱的裂缝数量更多且裂缝宽度更小。值得一提的是，所有组合柱的塑性铰都出现在ECC段，在加载过程中混凝土和ECC交界面未发生分层现象。此外，类似于混凝土柱，组合柱在试验期间没有出现FRP筋的粘结滑移失效。

盐城地区三麦面积常年稳定在550-600万亩，根据农业区划，分属里下河农业区（含射阳河上游平原区、中部低洼圩区、串场河西平田区和射阳河荡田区四个二级区）、沿海农业区（含射阳河下游平田区、沿海垦区和堤东平田区三个二级区）和徐淮农业区（包含沙土平田区和淤土平田区两个二级区）。

2.2 荷载-位移响应

图4为每个试件的循环荷载(P)与横向位移(Δ)滞回曲线。可以看出，在同等配筋和轴压比下，ECC-混凝土组合柱(GSREC-0.3)的滞回环面积明显大于混凝土柱(GSRC-0.3)，两者的累计滞回环面积分别为22.04 kN·m 和12.78 kN·m。由于FRP筋的线弹性性质，仅配置FRP筋柱(CREC-0.3)的捏拢效应比仅配筋钢筋柱(SREC-0.3)更加明显，而同时配置FRP筋和钢筋柱的捏拢效应介于两者之间。

图4 各构件滞回曲线Fig.4 Cyclic load-displacement curves of each specimen

通过荷载-位移骨架曲线可以更直观地评估柱的承载能力和变形能力。图5为基体类型对试件骨架曲线的影响。可以发现，将塑性铰区的混凝土用ECC替代后，承载力和变形能力均得到了显著提升。表4列出了各试件的强度和变形。复合筋增强ECC-混凝土组合柱GSREC-0.3的峰值承载力达65.55 kN，较复合筋增强混凝土柱GSRC-0.3高出了39.6%。组合柱的极限强度远高于混凝土柱，不仅是因为ECC的抗压强度高于混凝土的抗压强度，而且归因于混凝土和ECC之间拉伸性能的显著差异。混凝土一旦开裂，承载力便迅速丧失，而ECC开裂后仍可以提供稳定的抗拉承载力，直到裂缝集中出现为止。当ECC 用于塑性铰区域时，试件的极限位移也提升了70.8%。这里的极限位移是指当水平荷载下降至其峰值荷载的85%时柱顶的位移。对于混凝土柱GSRC-0.3，在往复荷载作用下混凝土剥落非常明显，FRP筋由于失去侧向约束而发生受压屈曲。相比之下，由于ECC的纤维桥连作用，组合柱GSREC-0.3没有观察到ECC剥落的迹象，从而避免了FRP筋的屈曲，保证了构件的变形能力。此外，ECC的极限压应变约为混凝土的2倍，也在一定程度上延迟了组合柱的破坏进程，从而提高了柱的变形能力。

图5 基体类型对构件荷载-位移骨架曲线的影响Fig.5 Effect of matrix type on the load-displacement envelops of specimens

表4 构件的强度和变形指标Table 4 Strength and deformation indexesof specimens

轴压比对试件荷载-位移骨架曲线的影响如图6所示。随着轴压比的增加，峰值承载力呈先增大后减小的趋势，极限位移则始终呈下降趋势。当轴压比从0.1变化为0.42时，极限位移降低幅度达61.3%。在固定ECC极限压应变下，较大的受压区高度导致较小的极限曲率，从而降低构件变形能力。

图6 轴压比对构件荷载-位移骨架曲线的影响Fig.6 Effect of axial force ratio on the load-displacement envelopsof specimens

图7 为筋材类型对试件的荷载-位移骨架曲线的影响。从表4可以看出，由于FRP筋的抗拉强度高于钢筋，FRP筋-钢筋复合增强ECC-混凝土柱(CSREC-0.3)的承载能力和屈服后刚度均优于钢筋增强ECC-混凝土组合柱(SREC-0.3)。复合筋组合柱的极限强度和极限位移与FRP筋组合柱(CREC-0.3)非常接近，分别仅低2.8%和2.5%。

图7 筋材类型对构件荷载-位移骨架曲线的影响Fig.7 Effect of reinforcement type on the load-displacement envelopsof specimens

2.3 应变分析

图8为各位移水平下钢筋和FRP筋的应变变化情况，图中正值表示拉应力，负值表示压应力。图8(a)和图8(b)为复合筋增强混凝土柱(GSRC-0.3)和复合筋增强ECC-混凝土组合柱(GSREC-0.3)中钢筋的应变变化。从图中可以看出，GSREC-0.3的拉应变变化规律与GSRC-0.3相似，即应变值随水平位移的增加而增大，最终均超过了钢筋的屈服应变。然而，当它们处于压缩状态时，这两个柱中钢筋应变变化差异显著。对于GSREC-0.3，钢筋的压应变先增加然后保持在2000µε 左右(低于钢筋屈服应变值)，相比之下，GSRC-0.3中钢筋的压应变不断增加直至最终失效，最大应变值超过了3500µε，远远大于钢筋的屈服应变。当水平位移达到48 mm 时，混凝土剥落现象非常明显，此时，混凝土保护层承受的压缩荷载随即转移到钢筋上，导致钢筋应变进一步增加。

图8 各位移水平下钢筋和FRP 筋的应变变化Fig.8 Strain variations of steel and FRP bars with increasing displacement

试件GSRC-0.3和GSREC-0.3的GFRP筋的应变变化如图8(c)和图8(d)所示。在加载过程中，GSREC-0.3中GFRP筋压应变值始终保持在2000µε以下，相比之下，GSRC-0.3中GFRP筋压应变值超过了4000µε，表明GFRP筋已发生局部屈曲。GFRP筋压应变值的显著差异反过来导致拉应变值的明显差异。如图8(c)和图8(d)中所示，GSRC-0.3中GFRP筋局部受压屈曲导致其失去抗拉承载力，而GSREC-0.3中GFRP筋在整个加载中都能提供稳定的抗拉能力。这进一步说明复合筋增强ECC-混凝土组合柱的变形能力要优于复合筋增强混凝土柱。

2.4 残余变形

图9(a)为筋材类型对各位移水平下柱的残余变形的影响。从图中可以看出，FRP筋组合柱(CREC-0.3)的残余变形远小于钢筋组合柱(SREC-0.3)。位移水平越高，残余变形的差异越大。复合筋增强柱(CSREC-0.3)的残余位移介于两者之间。当位移等级为80 mm 时，CREC-0.3、CSREC-0.3和SREC-0.3的残余位移分别为19.4 mm、30.0 mm和43.2 mm。各试件残余位移的差异主要归因于钢筋和FRP筋不同的应力-应变关系。与钢筋的弹塑性力学行为不同，FRP筋的线弹性行为迫使柱构件返回其原始位置。轴压比对柱构件残余变形的影响如图9(b)所示。可以看出，当水平位移程度较低时，轴压比越大，柱的残余变形也越大；而当水平位移程度较高时，轴压比越大，柱的残余变形反而越小。

图9 筋材类型和轴压比对各位移水平下柱的残余变形的影响Fig.9 Effect of reinforcement type and axial force ratio on residual displacements of columnsat each displacement level

2.5 延性分析

图10为基体类型和筋材类型对试件延性的影响。此处的延性系数µ定义为极限位移与屈服位移之比。从图10可以看出，当用ECC 替代塑性铰区混凝土时，柱的延性提高了76.7%。随着ECC替代混凝土，极限位移得到显着提升，而屈服位移几乎保持不变，从而使ECC-混凝土组合柱具有更高的延性。从图10中还可以看出，筋材类型对柱的延性几乎没有影响。当1/2的钢筋被FRP筋替代时，屈服和极限位移会同步增加，它们的比例即延性系数几乎保持不变。

图10 基体类型和筋材类型对试件延性的影响Fig.10 Effect of matrix type and reinforcement type on the ductility of specimens

图11显示了轴压比对试件延性的影响。随着轴压比的增加，试件延性呈明显下降趋势。随着轴压比增加，组合柱屈服位移几乎保持不变，而极限位移随之变小，从而导致延性系数的降低。

图11 轴压比对试件延性的影响Fig.11 Effect of axial force ratio on the ductility of specimens

2.6 耗能分析

各位移水平下试件的累计耗能如图12所示。每个位移水平的耗能由各位移下荷载-位移环的总面积确定。从图12(a)中可以看出，当水平位移低于48 mm 时，复合筋增强混凝土柱GSRC-0.3的累计耗能略低于复合筋增强ECC-混凝土复合柱GSREC-0.3。当水平位移超过48 mm 时，两者之间的差距越加显著。极限状态下GSREC-0.3的累计耗能(22.04 kN·m)比GSRC-0.3(12.78 kN·m)高72.5%。这意味着当ECC替代塑性铰区混凝土时，柱的能量耗散能力可以得到显着提高。

图12(b)为轴压比对试件累计耗能的影响。从图中可以看出，当水平位移小于64 mm 时，累计耗能随着轴压比的增加而升高。之后，轴压比较高的构件相继发生破坏，最终轴压比为0.1的构件GSREC-0.1的累计耗能最大。图12(c)为筋材类型对试件累计耗能的影响。结果发现，钢筋组合柱的最终耗能远高于FRP筋组合柱，而复合筋组合柱的最终耗能介于两者之间。钢筋组合柱的残余位移较大，导致滞回环面积更大，因此能量耗散能力也更强。

图12 各因素对试件累计能量耗散的影响Fig.12 Effect of each parameter on cumulative dissipated energy of specimens

3 有限元分析

3.1 有限元建模

采用有限元软件ABAQUS对FRP筋-钢筋复合增强ECC-混凝土组合柱的抗震性能进行模拟，钢筋采用双折线线性强化本构模型，如图13所示；混凝土采用Hognestad 提出的本构模型[24]，如图14所示；对于ECC材料，基于单轴拉伸和压缩试验得出典型的应力-应变曲线提出简化本构模型[25]，如图15所示。材料本构模型中的应力、应变特征值均采用材性试验测试得到的数据。混凝土、ECC、钢板的材料单元采用C3D8R 单元，钢筋、箍筋和FRP筋的材料单元采用T3D2单元，模型网格尺寸为25 mm，钢筋笼采用嵌入的方式与基体材料结合。

图13 钢筋应力-应变关系Fig.13 Stress-strain relationship of steel reinforcement

图14 混凝土应力-应变关系Fig.14 Stress-strain relationship of concrete

图15 简化ECC本构模型Fig.15 Simplified constitutive model of ECC

图16列举了1根复合配筋混凝土柱(GSRC-0.3)及2根复合配筋ECC-混凝土组合柱(GSREC-0.3、CSREC-0.3)模拟与试验荷载-位移曲线对比图。从图16中可以看出，不论是峰值承载力还是下降段趋势都吻合良好，3个构件极限承载力平均误差仅为2.33%，验证了材料本构模型及模型建立的准确性。

图16 模拟与试验荷载-位移曲线对比图Fig.16 Comparison of load-displacement curves between simulated and measured results

3.2 参数分析

本节基于上述ABAQUS模型，对柱构件力学性能进行参数分析，以CSREC-0.3为基准试件，分别考虑ECC 强度、FRP筋种类、总配筋率和FRP筋与钢筋面积比4个参数对柱构件荷载-位移曲线的影响。

图17为ECC抗压强度对构件荷载-位移曲线的影响，ECC 强度取值范围为20 MPa～60 MPa，间距为10 MPa。由图中可以看出，构件承载能力随着ECC强度的提高而提高，提升幅度随着强度的增加而降低。

图17 ECC抗压强度的影响Fig.17 Effect of ECCcompressive strength

考虑常用FRP筋类型，选取了CFRP筋、GFRP筋、BFRP筋和AFRP筋进行分析，4种FRP筋材的弹性模量分别取为112 GPa、42.3 GPa、45 GPa及70.1 GPa。图18为FRP筋种类对柱构件荷载-位移曲线的影响。从图中可以看出，随着FRP筋弹性模量的增大，柱构件的承载力和变形能力均得以提升。BFRP筋构件的承载力与GFRP筋构件类似，但下降段更为缓慢；CFRP筋构件的承载力最大，延性也最好。

图18 FRP 筋种类的影响Fig.18 Effect of FRPtypes

图19为不同FRP筋与钢筋比例下梁的弯矩-曲率，总配筋率固定为2.57%，FRP筋与钢筋的用量比分别为1∶3、1∶2、1∶1、2∶1及3∶1。从图中可以看出，随着FRP筋面积占比的增大，构件极限承载力几乎保持不变，但峰值承载力对应的水平位移明显增变大，因而构件延性得到了显著提升。

图19 FRP 筋与钢筋配比的影响Fig.19 Effect of the ratio between FRP and steel bars

图20为不同配筋率下柱的荷载-位移曲线，各试件FRP筋与钢筋用量相同，总配筋率分别取为1.45%、1.97%、2.57%、3.25%及4.02%。从图中可以，配筋率对构件的承载能力的影响较为显著，随着配筋率的增大，构件承载能力和变形能力均有很大的提高，对比配筋率1.45%的柱构件，配筋率为3.25%柱构件其承载能力提升了66%。