FRP管约束混凝土柱抗侧向冲击能力实验

何军保, 周志杰, 高一祺, 陈华伟

(南京工业大学 土木工程学院, 江苏 南京　210000)

FRP管约束混凝土柱抗侧向冲击能力实验

何军保, 周志杰, 高一祺, 陈华伟

(南京工业大学 土木工程学院, 江苏 南京210000)

摘要:针对FRP管约束混凝土柱的抗侧向承载能力进行了系统研究,通过在FRP管约束混凝土柱的侧向施加静压载荷,对实验结果分析可知:在不同FRP管壁厚、纵横向纤维比例以及填充混凝土与否的情况下,FRP管柱以及FRP管约束混凝土柱试件呈现完全不同的破坏模式.由实验得出的应力-应变关系曲线和FRP混凝土柱所能承受的最大静压载荷数据,可以作为进一步对动态冲击下FRP混凝土柱的研究基础.

关键词:FRP管柱; FRP管约束混凝土柱; 纵横向纤维比例; 抗侧向冲击

航道用防撞桩类型有钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢管桩和木桩等. 但由于海水侵蚀和沿海沿江恶劣环境的影响使得混凝土易开裂且钢筋易锈蚀, 使此类防撞结构耐久性出现问题[1]. 而纤维增强复合材料轻质高强, 耐腐蚀性和耐久性好, 可抵抗不同环境下的腐蚀,这是传统结构材料难以比拟的[2]. 但FRP材料也有自身的缺点, 如价格高、弹性模量较低等. 因此需将FRP材料和其他一种或多种传统结构材料(如混凝土、钢等)组合起来形成FRP组合结构.FRP组合结构可充分发挥各组分材料的优点, 表现出更好的性能[3]. 该种材料能为工程领域提供轻质、高强、抗冲击、耐腐蚀的高性能防撞结构, 且该种FRP混凝土柱施工简单, 可在施工地点将拌制好的混凝土现场浇灌进做好的FRP管中. 黄龙男等进行了GFRP管约束混凝土的试验研究, 并依据试验结果建立了GFRP管混凝土柱轴心受压本构模型. 鲁国昌等考虑FRP管承受压力造成约束模量降低的影响, 提出一种考虑FRP管在轴向和环向受力情况下的应力-应变关系分析模型[4-5]. 所以,对FRP混凝土结构的力学性能和其他性能方面的研究是有实际意义和需要的. 1995年美国Mirmira和Shahawy首次提出将复合材料管约束混凝土柱(简称CFFT)(图1)应用于桥墩这种结构体系[6].

图1　典型FRP管约束混凝土结构截面图

本文主要讨论由FRP管材料和混凝土填充物形成的FRP管约束混凝土柱在静压力载荷下的抗侧向冲击性能,实验测出 FRP管约束混凝土柱的侧向受压力和位移的相应变化情况并给出力与位移关系.

1实验概况

1.1试件设计

本实验共有12个FRP约束混凝土柱试件,分成6组进行实验对照,每组有两个相同的试件.本实验的主要设计参数包括FRP管壁厚(本实验的试件FRP管壁厚度均为2 mm)、FRP管的直径和长度、FRP纤维纵横向的缠绕比例、FRP管填充混凝土(填充的混凝土等级相同均为 C60)与不填充混凝土.所采用的FRP管为聚酯纤维管,尺寸分别为外径142 mm、壁厚2 mm、长度750 mm和外径110 mm、壁厚2 mm、长度700 mm两种类型.通过控制变量法[7],分别分析FRP管壁厚、FRP纵横向纤维比例以及是否填充混凝土,对FRP管柱与FRP混凝土柱试件的破坏模式的影响.试件具体参数见表 1.

表1　试件参数

注: 试件的命名方法:①试件名的第一个字母代表试件的种类.“A”代表外径110 mm、壁厚2 mm、长度700 mm尺寸的FRP混凝土柱;“B”代表外径142 mm、壁厚2 mm、长度750 mm尺寸的FRP混凝土柱.②试件名的第二个字母代表试件是否填充混凝土.“H”代表未填充混凝土;“S”代表FRP管填充了混凝土.③试件名第二个字母后的数字和破折号组合代表FRP纤维纵横向比例.“1-1”代表纤维纵横向比例为1∶1.

1.2试件的加工制作

在FRP管的空隙浇注混凝土,并进行振捣捣实,浇注混凝土时应使混凝土面略高于FRP管表面.试件端部找平.待混凝土养护好后,用角磨机将混凝土磨至试件上端面齐平.在FRP管外侧近支座处、端部和中部贴两向应变片,即在FRP管的外侧环向和纵向贴应变片. 根据FRP圆管的图形对称,所以只需在其环向180°弧面上每隔45°贴一对应变片即可[8].

1.3加载方案和测量装置

侧向抗压试验主要考察试件的纵、横向位移及约束混凝土的应力-应变曲线等.对于FRP管约束混凝土试件,本次试验主要测试试件的横向承载力、FRP管的纵向及环向应变.分别在FRP管柱和FRP约束混凝土管近支座处、端部和中部间隔45°处共5处贴纵向及环向应变片,以测量该截面处的纵向应变和环向应变.此外,在试件的端部和中部正上方处各设置1个位移计,以测量横向位移.量测装置如图2所示.试件均用设计制作与试件贴合较好的两个半圆支座夹头固定.

图2试件上的应变片和加载装置布置

Fig.2Strain gauge on specimens and arrangement of loading device

所有试件均用千斤顶进行试验.实验时采用分级加载机制,前一段每一个梯度为2 kN,依次向上加载,在初始加载阶段,每级加载后采集应变数据,持载使力显示仪器数字不再大幅变化,趋于稳定后进行下一级加载.当载荷达到预计极限的60%后,每级载荷减为0.5～1 kN.临近破坏时,载荷极差更小,连续缓慢加载直至试件破坏,力显示仪器上的数字明显回落时停止实验.

2实验数据分析

试件AH4-1在加载装置的加载下达到最大载荷,后又明显回落,此时试件的长度方向上没有破坏,而环向破坏相当严重,说明FRP纵横向纤维比例对试件承受载荷能力影响较大.

Fig.3Experimental analysis of specimen AH4-1

(a)—试件AH4-1载荷-应变曲线; (b)—试件AH4-1载荷-位移曲线.

图3a为试件AH4-1的载荷和应变关系曲线.从实验得到的曲线可以看出,未填充混凝土的FRP管所能承受的最大载荷16 kN,随着载荷的逐级往上增加,试件的应变也随着增加.且从实验得到的曲线可以看出,在直角坐标系中,载荷-应变曲线近似为一条过原点的直线成线性变化.而图3b载荷-位移曲线描述试件的端部和中部的相关载荷与位移.实验得到的曲线显示,随着载荷的逐级增加,试件的位移也随着近似线性增大,但当所加的载荷达到并超过试件所能承受的最大载荷时,曲线突然向下跳跃,之后不再有明显的上升,这说明FRP管的力学性能不像钢筋,当FRP管所受到的载荷达到其极限值后,没有应变加强阶段,只是经历了弹性阶段和较短的塑性阶段就几乎完全失效被破坏.

试件AS4-1在达到最大载荷后又明显回落,此时试件完全破坏.由于填充了混凝土,从实验结果看,试件的长度方向有一定程度的损坏,环向完全被破坏.断裂时的极限载荷较试件AH4-1的极限载荷增长并不明显.

Fig.4Experimental analysis of specimen AS4-1

(a)—试件AS4-1载荷-应变曲线; (b)—试件AS4-1载荷-位移曲线

图4a为试件AS4-1的载荷和应变关系曲线,可以看出,填充混凝土的FRP管所能承受的最大载荷为20 kN,比未填充混凝土的FRP空管极限载荷增加了约4 kN.随着载荷逐级增加,应变也随着增加,载荷-应变曲线近似线性变化.

图4b为试件的端部和中部的载荷与位移关系曲线.实验得到的曲线显示,随着载荷的逐级增加,位移也随着增大,但与试件AH4-1的载荷位移曲线相比,经历了弹性阶段和较为明显的应变加强阶段.当所加的载荷达到并超过试件所能承受的最大载荷时,曲线突然向下跳跃,之后不再有明显的上升,经历了弹性阶段,应变加强阶段和较短的塑性阶段就几乎完全失效.试件AS4-1破坏后载荷-位移曲线没有试件AH4-1破坏后载荷-位移曲线回落明显,这是因为管内填充了混凝土,虽然FRP管实验后完全破坏断裂,但管内的混凝土因为包裹的FRP管的环箍效应没有完全破坏仍然有一定的强度.实验结果看到,试件长度方向上也受到了一定的破坏,由于长度方向上缠绕的纤维较少,管内填满的混凝土对管有阻止其向内的约束力,实验时FRP管外管内都受到力(见图 5)的作用,但管内与管外力的方向有一定的偏差,使得FRP管长度方向被破坏.

图5　FRP管内外的受力作用

试件BH1-1实验结果显示,试件先出现环向破坏,FRP纵向纤维断裂.当载荷达到一定值时,试件的长度方向开始破坏,FRP横向纤维开始断裂,且较FRP纵向纤维断裂更加显著,可能是固定试件的支座有微小的错位,对试件产生了环向剪力造成的.

Fig.6Experimental analysis of specimen BH1-1

(a)—试件BH1-1载荷-应变曲线; (b)—试件BH1-1载荷-位移曲线.

图6a为试件BH1-1的载荷-应变关系曲线.可以看出,未填充混凝土的FRP管所能承受的最大载荷为27 kN,随着载荷的逐级增加,试件的应变也随着增加,且在直角坐标系中,载荷-应变曲线近似为一条过原点的直线,成一次线性变化.

图6b为试件的端部和中部的相关载荷-位移曲线.曲线显示,随着载荷的逐级增加,试件的位移也随着近似线性增大,但当所加的载荷达到并超过试件所能承受的最大载荷时,曲线突然向下跳跃,之后不再有明显的上升,这说明FRP管的力学性能不像钢筋,当FRP管所受到的载荷达到其极限值后,没有应变加强阶段,只是经历了弹性阶段和较短的塑性阶段就几乎完全失效被破坏了.

试件BS1-1在加载装置的加载下达到最大载荷,后又明显回落,此时试件完全破坏.由实验结果可知,试件的长度方向有一定程度的损坏, 环向完全被破坏,断裂时的极限载荷较试件BH1-1略有增长.

图7为试件BS1-1的载荷-应变关系曲线.从实验得到的曲线可知,试件能承受的最大载荷为36 kN, 比未填充混凝土的FRP空管极限载荷加强了约9 kN,载荷-应变曲线近似成线性关系.与BH1-1的载荷-位移曲线相比拥有较为明显的应变加强阶段.而试件BS1-1破坏后载荷-位移曲线没有试件BH1-1破坏后载荷-位移曲线回落明显,这是因为管内填充了混凝土,虽然FRP管实验后完全破坏断裂,但管内的混凝土没有完全破坏,仍然有一定的强度.实验结果看到,除了试件的环向受到破坏,试件的长度方向上也受到了一定的破坏.

图7　试件BS11载荷应变曲线

对试件BH4-1进行静压加载实验,试件BH4-1为未填充混凝土的FRP管且其FRP纵横向比例为4∶1,在加载装置的加载下达到最大载荷,力显示仪器上的数字达到最大值又明显回落,此时试件完全破坏,但由于FRP纵横向纤维比例为4∶1,所以试件的长度方向上没有破坏,而环向破坏相当严重,这就说明FRP纵横向纤维比例对试件承受载荷能力影响较大.

图8为试件BH4-1的载荷-应变关系曲线.可以看出,未填充混凝土的FRP管所能承受的最大载荷为35 kN,与试件BH1-1比较,试件BH4-1所能承受的最大载荷增加了近8 kN,其强度接近于填充了混凝土的试件 BS1-1.随着载荷的逐级增加,试件的应变也随着增加.且从实验得到的曲线可以看出,在直角坐标系中,载荷-应变曲线近似为一条过原点的直线,成一次线性变化.

试件BS4-1的FRP管纵横向比例为4∶1,

图8　试件BH41载荷应变曲线

在加载装置的加载下达到最大载荷,后又明显回落,此时试件完全破坏.由于试件是预先浇灌填充了混凝土,FRP纵横向纤维比例为4∶1,从实验结果来看,试件的长度方向没有明显的损坏,环向完全被破坏,断裂时的极限载荷较试件BH4-1的略有增长,但并不明显.

图9为试件BS4-1在近支座处FRP管外面,每个相隔45°的5个测点载荷-应变关系曲线.可以看出,填充混凝土的FRP管所能承受的最大载荷为45 kN,比未填充混凝土的FRP空管极限载荷加强了约10 kN.随着载荷的逐级增加,试件的应变也随着增加,且在直角坐标系中,载荷-应变曲线近似为一条过原点的直线成一次线性变化.(图9中曲线显示应变有正有负,因为测点1、2、3是从近支座处FRP约束混凝土柱的正上方依次往下隔45°,测点4、5在试件近支座处下方.)实验得到的曲线显示,随着载荷的逐级增加,试件的应变也随着增大,但与试件BH4-1的载荷位移曲线不同,由于填充了混凝土,FRP管内的混凝土对FRP管有一定的约束作用,所以试件的载荷-应变曲线经历了弹性阶段和较为明显的应变加强阶段.当所加的载荷达到并超过试件所能承受的最大载荷时,曲线突然向上下震荡,且有略微的应变强化,经历了弹性阶段,应变加强阶段和较短的塑性阶段就几乎完全失效被破坏了.试件BS4-1长度方向没有像试件BS1-1那样遭到破坏,是因为其FRP纵横向纤维比例为4∶1,较难被破坏.

图9　试件BS41各测点载荷应变曲线

3结论

为了解FRP约束混凝土柱的抗冲击力学性能,本文讨论并初步分析了6组试件(每组2个相同试件)在侧向静压载荷下FRP管外径为110 mm和142 mm、FRP纵横向纤维比例为1∶1和4∶1、是否填充混凝土对实验结果的影响,主要得出了以下结论:

(1) 在FRP管壁厚相同和FRP纵横向纤维比例4∶1的条件下,无论管径的大小和有无填充混凝土,当试件环向达到极限载荷断裂时,试件长度方向不发生破坏.相反纵横向纤维比例 1∶1时,试件长度方向都发生断裂破坏.说明FRP纵向纤维比例提高时,可以较好地加大长度方向FRP管的强度.

(2) 不考虑FRP纵横向纤维比例和有无填充混凝土,管径为142 mm的试件比110 mm的试件侧向抗压能力显著增强,在一定范围内提高管径可以提高管柱的抗侧承载力.

(3) 在FRP管壁厚度和填充混凝土都相同条件下,无论纵横向纤维比例大小,FRP管径大的试件比FRP管径小的试件侧向抗压强度明显提高,说明FRP约束混凝土柱抗侧承载力主要由混凝土提供.

(4) 填充了混凝土的FRP约束混凝土柱的受压载荷-应变曲线斜率小,即表明FRP管具有一定的缓冲作用.

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【责任编辑: 祝颖】

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Experiment Research on Lateral Impact Bearing Capacity of FRP Pipe Confined Concrete Column

HeJunbao,ZhouZhijie,GaoYiqi,ChenHuawei

(College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210000, China)

Abstract:The lateral bearing capacity of FRP pipe confined concrete column is researched. Static pressure is applied on the lateral of FRP pipe confined concrete column, and the experimental results show that the failure modes of FRP pipe column and FRP pipe confined concrete column are totally different, when they have different pipe wall thickness, different fiber ratio of longitudinal and transverse and concrete infill or not. According to experiment, the stress-strain curves and the maximum static pressure which the FRP concrete column can afford can be used as the basis on researching FRP concrete column under dynamic impact.

Key words:FRP pipe column; FRP pipe confined concrete column; fiber ratio of longitudinal and transverse; resistance to lateral impact

中图分类号:TU 323.1

文献标志码:A

文章编号:2095-5456(2015)06-0489-06

作者简介:何军保(1989-),男,河南濮阳人,南京工业大学硕士研究生.

收稿日期:2015-04-25