負(fù)載作用下BFRP約束混凝土長(zhǎng)方柱軸壓試驗(yàn)研究

李培山, 朱大勇, 周 安, 衛(wèi)志成, 秦亞斌

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

負(fù)載作用下BFRP約束混凝土長(zhǎng)方柱軸壓試驗(yàn)研究

李培山1,2, 朱大勇1,2, 周 安1,2, 衛(wèi)志成1, 秦亞斌1,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

文章通過(guò)11個(gè)不同負(fù)載水平作用下玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(basalt fiber reinforced plastics,BFRP)約束混凝土長(zhǎng)方柱的軸壓試驗(yàn),研究了負(fù)載水平、BFRP約束層數(shù)對(duì)混凝土長(zhǎng)方柱軸壓性能的影響,并用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。試驗(yàn)表明:通過(guò)BFRP的約束能有效提高混凝土長(zhǎng)方柱的極限承載力與延性,約束層數(shù)越多,提高幅度越大;負(fù)載水平的高低影響B(tài)FRP對(duì)混凝土長(zhǎng)方柱的約束效果,在相同情況下,負(fù)載水平越高,BFRP的約束效果越差;BFRP約束層數(shù)的增加放大了負(fù)載作用對(duì)混凝土長(zhǎng)方柱的影響水平;ANSYS能很好地模擬負(fù)載作用下BFRP約束混凝土長(zhǎng)方柱軸壓性能。

玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(BFRP);負(fù)載水平;混凝土長(zhǎng)方柱;軸壓;約束

0 引 言

在混凝土表面粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(fiber reinforced plastic,FRP)能有效地限制混凝土的側(cè)向膨脹,這極大地提高了混凝土的抗壓性能[1-3],目前外貼FRP布已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域較常用的加固方式。玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(basalt fiber reinforced plastics,BFRP)是一種新型無(wú)機(jī)環(huán)保綠色高性能復(fù)合材料,是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的纖維材料之一,相比于其他FRP具有穩(wěn)定性強(qiáng)、抗腐蝕、價(jià)格低廉、電絕緣性良好等性能[4],但FRP約束混凝土抗壓性能的研究以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)居多,BFRP布的研究較少。

在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)加固作業(yè)中,待加固構(gòu)件往往在不卸載或者不完全卸載情況下進(jìn)行粘貼FRP加固,即待加固構(gòu)件存在一定的初始應(yīng)力,加固后FRP布存在一定的拉應(yīng)變滯后,這對(duì)加固構(gòu)件的抗壓性能的影響是不能忽略的[5]。而多數(shù)混凝土柱的軸壓試驗(yàn)是在無(wú)初始荷載的條件下針對(duì)新澆筑混凝土進(jìn)行的,這雖然簡(jiǎn)化了試驗(yàn)過(guò)程,但是不能模擬待加固構(gòu)件在加固后二次受力的特點(diǎn),因此,進(jìn)行負(fù)載作用下FRP布約束混凝土軸壓性能的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。在實(shí)際加固中混凝土柱以矩形截面或者方形截面柱居多,而多數(shù)研究以圓形截面柱居多,方形截面柱較少,且短柱居多,長(zhǎng)柱較少,鑒于這種情況下,本試驗(yàn)研究對(duì)象選定混凝土長(zhǎng)方柱。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

混凝土試件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20,混凝土長(zhǎng)方柱的尺寸為100 mm×100 mm×500 mm。使用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,因考慮到試件尺寸,最大碎石粒徑為20 mm。

經(jīng)過(guò)多次適配,配制出強(qiáng)度為C20的混凝土,其中各材料配合比w水∶w水泥∶w砂∶w石子=175∶343∶620∶1 262,脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d,實(shí)測(cè)28 d齡期立方體混凝土抗壓強(qiáng)度均值為21.7 MPa。

試驗(yàn)使用營(yíng)口建科玄武巖纖維研究所生產(chǎn)的玄武巖纖維單向布,實(shí)測(cè)厚度均值為0.107 mm,抗拉強(qiáng)度均值為1 246 MPa,彈性模量均值為49.6 GPa。

1.2 試件設(shè)計(jì)

制作了11個(gè)混凝土長(zhǎng)方柱試件,并對(duì)試件進(jìn)行倒角處理,倒角半徑為20 mm。負(fù)載水平定義為預(yù)加荷載與未約束B(niǎo)FRP試件的破壞荷載的比值,試驗(yàn)分為6組共11個(gè)試件,分別為C0-0、C1-0、C2-0、C1-3、C2-3、C1-5、C2-5、C1-7、C2-7、C1-9、C2-9。試件編號(hào)均按照CX-Y格式進(jìn)行編寫(xiě),X代表BFRP約束混凝土試件的層數(shù),Y代表負(fù)載水平，負(fù)載水平0、3、5、7、9分別代表0、0.3、0.5、0.7、0.9這5個(gè)等級(jí),BFRP約束層數(shù)分別為1層和2層。

1.3 試驗(yàn)裝置與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的加載裝置下進(jìn)行,如圖1所示。

圖1 加載裝置示意圖

在混凝土柱4個(gè)側(cè)面的中部粘貼應(yīng)變片,并用TDS-303數(shù)據(jù)采集儀觀測(cè)1、2處的軸向壓應(yīng)變和3、4處的橫向拉應(yīng)變以及試件的軸向荷載,測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)按照文獻(xiàn)[6-7]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行,具體操作過(guò)程如下:

(1) 對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理,包括打磨倒角、試件表面修復(fù)等,并在試件的中部粘貼應(yīng)變片,因?yàn)閼?yīng)變片電阻絲相對(duì)較脆弱,在粘貼的過(guò)程中動(dòng)作要輕,粘貼完畢后用萬(wàn)能表進(jìn)行檢測(cè)。

(2) 將混凝土試件放至試驗(yàn)裝置下,并合理調(diào)整試件的位置,確保試件能夠軸心受壓,用液壓千斤頂分別對(duì)試件施加相應(yīng)的荷載(第1次加載),并保持荷載24 h,一旦發(fā)現(xiàn)荷載降低,應(yīng)立刻補(bǔ)壓到相應(yīng)荷載水平。

(3) 在保持荷載不變的前提下,在試件表面粘貼BFRP,粘貼方式為人工橫向粘貼,搭接長(zhǎng)度為10 mm,注意在粘貼的過(guò)程中不能損壞應(yīng)變片,靜置72 h至黏接劑初凝,在此期間一旦發(fā)現(xiàn)荷載降低,應(yīng)立刻補(bǔ)壓到相應(yīng)荷載水平。

(4) 用液壓式千斤頂對(duì)混凝土試件繼續(xù)進(jìn)行加載(第2次加載),每級(jí)加載5 kN,直至試件軸壓至破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)觀察到因?yàn)锽FRP被拉斷而導(dǎo)致試件破壞喪失承載力。BFRP約束試件在加載初期外觀上與第1次加載一樣,這說(shuō)明BFRP還沒(méi)有發(fā)揮加固作用,只有混凝土在承受軸向壓力;當(dāng)軸向壓力增加到破壞荷載的70%左右,能聽(tīng)到BFRP斷裂發(fā)出的劈啪響聲,并能看到BFRP上的膠面出現(xiàn)裂痕,說(shuō)明BFRP已經(jīng)開(kāi)始承受軸向壓力;隨著軸向壓力繼續(xù)增大,試件開(kāi)始向外膨脹,并且BFRP開(kāi)始出現(xiàn)裂縫并逐漸向周圍延伸,突然一聲巨響,試件被徹底壓壞,有混凝土碎塊和粉末濺出。

剝開(kāi)破壞處的BFRP,發(fā)現(xiàn)BFRP與混凝土徹底分離,拐角區(qū)域的混凝土被壓成粉碎,明顯向外鼓出,且拐角處玄武巖纖維布破裂,破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 BFRP約束試件的破壞形態(tài)

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)以及對(duì)比見(jiàn)表1所列,11個(gè)試件相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。

表1 試驗(yàn)主要測(cè)得數(shù)據(jù)以及對(duì)比

圖4 11個(gè)試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.3 結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象以及圖3,發(fā)現(xiàn)BFRP約束試件的軸壓破壞位置存在一定的隨機(jī)性。因?yàn)榛炷翆儆诜菑椥源嘈圆牧?在負(fù)載作用下,一旦在混凝土表面出現(xiàn)裂縫,而裂縫出現(xiàn)的部位存在一定的隨機(jī)性,后粘貼FRP因裂縫部位的應(yīng)力集中而開(kāi)始受力[8],BFRP開(kāi)始承受拉力至破壞,因此負(fù)載作用下BFRP約束混凝土長(zhǎng)方柱的軸壓破壞部位存在一定的隨機(jī)性。

通過(guò)BFRP的約束能有效提高混凝土長(zhǎng)方柱的極限承載力與延性,且BFRP粘貼層數(shù)越多,提高幅度越大。從表1可見(jiàn),試件C1-0和C2-0的極限承載力分別為試件C0-0的2.69倍和3.88倍,峰值壓應(yīng)變分別為試件C0-0的11.01倍和21.42倍。

負(fù)載水平的高低影響B(tài)FRP約束混凝土長(zhǎng)方柱的極限承載力,在相同情況下,負(fù)載水平越高,BFRP約束試件的極限承載力越小。從表1和圖4中可知,相同條件下,低負(fù)載水平(0.3)對(duì)BFRP約束試件極限承載力的影響較小,且其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線與未負(fù)載試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線較接近,但是高負(fù)載水平(大于0.5)對(duì)BFRP約束試件極限承載力的影響較大,且負(fù)載水平越高影響程度越大。因?yàn)檩^高的負(fù)載水平對(duì)混凝土造成的損傷削弱了混凝土自身的承載力[9-10],所以在一定程度上降低了BFRP對(duì)混凝土長(zhǎng)方柱的約束效果。

負(fù)載水平從0～0.9,BFRP約束試件極限承載力的降幅隨約束層數(shù)的增大而增大。C1-9比C1-0的極限承載力降低了37.2%,C2-9比C2-0的極限承載力降低了41.1%,即BFRP約束層數(shù)的增大放大了負(fù)載對(duì)混凝土長(zhǎng)方柱的影響水平。

3 有限元分析

3.1 有限元模型的選取

有限元分析選用SOLID65單元模擬混凝土材料,這是專門為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開(kāi)發(fā)的單元。該單元為8節(jié)點(diǎn)6面體單元,可以模擬不帶鋼筋的三維實(shí)體混凝土模型,能綜合考慮混凝土塑性與徐變引起的材料非線性問(wèn)題、大位移引起的幾何非線性問(wèn)題、混凝土開(kāi)裂問(wèn)題、壓碎引起的非線性問(wèn)題等多種混凝土的材料特性[11]。玄武巖纖維布單元采用SHELL41單元模擬,SHELL41單元為空間4節(jié)點(diǎn)的膜應(yīng)力單元,不具備抗壓、抗彎的力學(xué)性能,但是可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置單元僅承受拉應(yīng)力,這與試驗(yàn)中玄武巖纖維單向布的受力情況一致[12]。

混凝土長(zhǎng)方柱的單向軸壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系依據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行設(shè)定,破壞準(zhǔn)則采用Willam-Warnke 5參數(shù)模型,用以檢查混凝土長(zhǎng)方柱的形變與破壞。BFRP為線彈性材料,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為曲線,對(duì)BFRP約束試件,一旦BFRP的某一處達(dá)到其極限拉應(yīng)力,便認(rèn)定受約束試件破壞。

利用ANSYS的“單元生死”方法來(lái)模擬負(fù)載下BFRP約束混凝土長(zhǎng)方柱。將程序設(shè)定為2步分析:① 將BFRP設(shè)定為“死”,即不考慮其對(duì)混凝土長(zhǎng)方柱的約束,然后對(duì)混凝土長(zhǎng)方柱頂端施加軸向壓力至負(fù)載水平,以此來(lái)模擬對(duì)混凝土長(zhǎng)方柱進(jìn)行負(fù)載;② 將BFRP設(shè)定為“生”,加入“生死單元”后,不需要重新劃分單元網(wǎng)格,能大大簡(jiǎn)化問(wèn)題,方便計(jì)算。

3.2 邊界條件

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加載過(guò)程中BFRP與混凝土不會(huì)分開(kāi),因此認(rèn)定兩者不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑移。利用長(zhǎng)方柱的對(duì)稱性,取1/4柱體,在混凝土長(zhǎng)方柱底端限制各個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng),在長(zhǎng)方柱頂端施加荷載,有限元分析模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

對(duì)混凝土長(zhǎng)方柱進(jìn)行分級(jí)加載,計(jì)算中若出現(xiàn)以下2種情況之一,則認(rèn)為達(dá)到破壞極限狀態(tài),計(jì)算終止:① BFRP達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度而拉斷;② 在計(jì)算過(guò)程中,當(dāng)?shù)鷷r(shí)計(jì)算不收斂,則試件產(chǎn)生很大的塑性變形而達(dá)到破壞狀態(tài)。試件C1-7的應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 試件C1-7的應(yīng)力云圖

3.3 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

峰值壓應(yīng)力的試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)表2所列,兩者偏差在-6.17%～15.07%范圍以內(nèi),說(shuō)明只要選擇合適的分析模型就能很好地模擬負(fù)載作用下BFRP約束混凝土長(zhǎng)方柱的軸壓性能。

表2 峰值壓應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

偏差出現(xiàn)的原因如下:混凝土屬于非彈性脆性材料,抗壓強(qiáng)度存在一定的離散性;試驗(yàn)中玄武巖纖維布的粘貼效果有差異;ANSYS模擬將BFRP與混凝土之間設(shè)定為不滑移等。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)BFRP的約束能有效地提高混凝土長(zhǎng)方柱的極限承載力與延性,BFRP約束層數(shù)越多,提高幅度越大。

(2) 負(fù)載水平的高低影響B(tài)FRP約束混凝土長(zhǎng)方柱的極限承載力,在相同條件下,負(fù)載水平越高,BFRP約束混凝土長(zhǎng)方柱的極限承載力越低。

(3) 當(dāng)負(fù)載水平為0～0.9,1層BFRP約束試件的極限承載力的降幅小于2層BFRP約束試件極限承載力的降幅。因?yàn)橄冉o試件預(yù)加荷載后加約束,BFRP屬于被動(dòng)約束,所以BFRP存在一定程度拉應(yīng)變滯后,而約束層數(shù)的增大,將這種效應(yīng)放大。

(4) ANSYS能較好地模擬負(fù)載作用下BFRP約束混凝土長(zhǎng)方柱軸壓性能,且計(jì)算值與試驗(yàn)值能較好地吻合。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Axial compression performance test of BFRP-confined concrete rectangular columns under loading

LI Peishan1,2, ZHU Dayong1,2, ZHOU An1,2, WEI Zhicheng1, QIN Yabin1,2

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

Through the axial compression performance test of basalt fiber reinforced plastics(BFRP)-confined concrete rectangular columns under eleven different load levels, the effect of the load level and BFRP constraint layer number on the axial compression performance of concrete rectangular columns was researched and the simulation was carried out by using ANSYS finite element method. The experimental results show that the ultimate bearing capacity and ductility of the concrete rectangular columns can be effectively improved by BFRP constraint. The more the constraint layer, the higher the improvement rate. The load level affects the constraint effect of BFRP on the concrete rectangular columns. In the same situation, the higher the load level, the poorer the constraint effect of BFRP. The increase of BFRP constraint layer magnifies the effect of load on the concrete rectangular columns. The axial compression performance of the BFRP-confined concrete rectangular columns under loading can be well simulated by ANSYS.

basalt fiber reinforced plastics(BFRP); load level; concrete rectangular column; axial compression; constraint

2016-03-31；

2016-05-29

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1408085MKL14)

李培山(1986-),男,山東壽光人,合肥工業(yè)大學(xué)助教; 朱大勇(1965-),男,安徽樅陽(yáng)人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師; 周 安(1964-),男,安徽績(jī)溪人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.03.017

TU375.3

A

1003-5060(2017)03-0379-05