復(fù)材管纖維纏繞角度對(duì)約束混凝土軸壓性能的影響研究

鄢油纖 黃奕森 黃旖珩 周龍華

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)）

0 引言

復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱：復(fù)材）與混凝土、鋼等傳統(tǒng)的建筑材料結(jié)合形成新型的組合結(jié)構(gòu)用于土木工程新建結(jié)構(gòu)中，是復(fù)材在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用一個(gè)極具潛力的方向[1]。而內(nèi)填混凝土復(fù)材管柱(Concrete Filled FRP Tubes，CFFTs) 正是一種最典型的復(fù)材組合構(gòu)件最基本的形式。其中，復(fù)材管既可以采用濕鋪法手工制作，也可以直接采用復(fù)材纏繞管。特別是后者，通常采用將復(fù)材纖維長(zhǎng)絲在張力下纏繞在旋轉(zhuǎn)心軸上來(lái)制造管狀復(fù)材部件的生產(chǎn)方法[2-4]。在CFFTs 中，復(fù)材管不僅為混凝土核心提供外部約束，而且保護(hù)內(nèi)部鋼筋和混凝土免受環(huán)境侵蝕[5]。

在CFFTs 中，纖維的鋪陳方向與管軸向的夾角一般接近90 度，而對(duì)于CFFTs 軸壓性能而言，纖維纏繞角度是最重要的影響因素之一[6-8]，因此，從CFFTs 應(yīng)用的角度出發(fā)，基于不同纖維纏繞角度復(fù)材管的CFFTs 軸壓性能具有較大的研究?jī)r(jià)值[9]。但是，目前對(duì)于復(fù)材約束混凝土柱軸壓性能的研究主要集中于復(fù)材纖維纏繞角為±90°或接近±90°的情況，對(duì)于其他纖維纏繞角研究極少。本試驗(yàn)針對(duì)以上問(wèn)題，進(jìn)行了三種典型的纖維纏繞角度（±80°、±60°和±45°）共9 個(gè)玻璃纖維復(fù)材管柱的軸壓試驗(yàn)，分析纖維纏繞角度對(duì)CFFTs 軸壓性能的影響。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試件制作

本試驗(yàn)采用由廣東省纖力玻璃鋼有限公司生產(chǎn)的玻璃纖維纏繞管，共三種纖維纏繞角度，分別為±80°、±60°和±45°，管的名義內(nèi)徑為150mm，高度為300mm，針對(duì)每種纖維纏繞角度制作了3 個(gè)重復(fù)試件，共9 個(gè)CFFT 試件。為了防止試件在軸壓加載過(guò)程中端部的局部破壞，在每個(gè)試件的兩端粘貼了2 層高度為15mm 的碳纖維布進(jìn)行加固，如圖1 所示。在本試驗(yàn)中，混凝土受壓為正，受拉為負(fù)；而復(fù)材管受拉為正，受壓為負(fù)。

圖1 三種不同纏繞角度的CFFT 試件

9 個(gè)CFFT 試件的詳細(xì)信息見(jiàn)表1 中，其中Din和tFRP分別為復(fù)材管內(nèi)徑和厚度的實(shí)測(cè)值，試件名稱都以字母“C”開(kāi)頭，表示軸壓試件，接下來(lái)的數(shù)字80、60 或45 表示復(fù)材管的纖維纏繞角度，最后一個(gè)數(shù)字表示重復(fù)試件的順序。

1.2 混凝土參數(shù)

在澆筑CFFT 試件時(shí)，預(yù)留了3 個(gè)直徑為150mm、高度為300mm 的混凝土標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，根據(jù)ASTM-C469/C469M-14[10]規(guī)范，獲得28 天混凝土的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體平均抗壓強(qiáng)度為41.4MPa，峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)變?chǔ)與o為0.002。

2 測(cè)點(diǎn)布置及加載

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

CFFT 試件的應(yīng)變片布置在試件表面高度一半的位置沿環(huán)向選擇其四分點(diǎn)，另外，利用特制的鋼架在CFFT試件的三等分點(diǎn)位置分別安裝3 個(gè)量程為10mm 的位移計(jì)，位移計(jì)的測(cè)量范圍為試件高度方向中間120mm 的范圍內(nèi)，位移計(jì)布置及試驗(yàn)裝置如圖2 所示。

圖2 CFFTs 軸壓實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)加載

CFFTs 試件的軸向壓縮試驗(yàn)在混凝土澆筑后30 天開(kāi)始，并使用最大容量為3000kN 的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)的具體步驟如下：

⑴每個(gè)試件兩端用高強(qiáng)石膏進(jìn)行找平，以確保在試件上均勻加載。

⑵對(duì)試件先進(jìn)行預(yù)加載至20kN，觀察應(yīng)變片、位移計(jì)的數(shù)據(jù)是否正常，以及是否出現(xiàn)偏壓情況，確保試驗(yàn)裝置正常，數(shù)據(jù)采集能正常采集。

⑶確保試驗(yàn)裝置正常，數(shù)據(jù)采集能正常采集，數(shù)據(jù)正常后，CFFTs 由預(yù)先設(shè)定的位移控制加載，加載速率為0.18mm/min，直到CFFTs 試件因復(fù)材管的破裂而失效，停止加載。

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在CFFTs 試件加載的全過(guò)程中，對(duì)于C80-1 試件，當(dāng)荷載加到1466kN 時(shí)，聽(tīng)到復(fù)材管發(fā)出噼啪的響聲，并且中上端發(fā)白；當(dāng)荷載加到1494kN 時(shí)，試件中部有明顯裂痕，中部與上端部明顯變白；當(dāng)荷載加到1589kN 時(shí)，聽(tīng)到爆炸聲，試件破壞。對(duì)于C80-2 試件，當(dāng)荷載加到1381kN 時(shí)，聽(tīng)到復(fù)材管的輕微噼啪聲，環(huán)向應(yīng)變片1 和2 之間距離中間往上位置有明顯變白；當(dāng)荷載加到1518kN 時(shí)，聽(tīng)到試件爆炸聲，試件承載力大幅下降。對(duì)于C80-3 試件，當(dāng)荷載加到1361kN 時(shí)，試件稍微變白；當(dāng)荷載加到1423kN 時(shí)，聽(tīng)到試件發(fā)出噼啪響聲，并且上端部明顯變白；當(dāng)荷載加到1492kN 時(shí)，試件損壞并且試件中部位置沿著纖維方向有明顯裂痕。

對(duì)于C60-1 試件，當(dāng)荷載加到1100kN 時(shí)，試件上端部變白；當(dāng)荷載加到1142kN 時(shí)，聽(tīng)到試件發(fā)出噼啪響聲，并且試件上端部明顯變白，試件中間出現(xiàn)輕微裂痕；當(dāng)荷載加到1236kN 時(shí)，荷載達(dá)到峰值此時(shí)荷載下降；荷載下降到1198kN 時(shí)，試件出現(xiàn)縱向裂痕，試件破壞，試件承載力大幅下降。對(duì)于C60-2 試件，當(dāng)荷載加到889kN 時(shí)，試件中部沿纖維方向有一點(diǎn)點(diǎn)變白；當(dāng)荷載加到1028kN 時(shí)，聽(tīng)到試件發(fā)出噼啪響聲；當(dāng)荷載加到1117kN 時(shí)，試件中部沿纖維纏繞方向有不明顯裂痕；當(dāng)荷載加到1374kN 時(shí)，試件明顯損壞，試件出現(xiàn)從上而下的貫通破壞，上端部碳纖維布損壞，試件承載力大幅下降。對(duì)于C60-3 試件，當(dāng)荷載加到1063kN 時(shí)，試件中部沿纖維纏繞方向有一點(diǎn)點(diǎn)變白；當(dāng)荷載加到1125kN 時(shí)，聽(tīng)到試件發(fā)出噼啪響聲；當(dāng)荷載加到1350kN 時(shí)，試件明顯損壞，中部及上端部出現(xiàn)縱向明顯裂痕，試件承載力大幅下降。

對(duì)C45-1 試件，當(dāng)荷載加到750kN 時(shí)，荷載此時(shí)下降；當(dāng)荷載緩慢下降到530kN 時(shí)，聽(tīng)到試件發(fā)出噼啪響聲；繼續(xù)加載，試件中部稍微膨脹，試件出現(xiàn)變形；當(dāng)荷載下降到300kN 時(shí)，試件出現(xiàn)明顯變形，試件損壞；停止加載，破壞過(guò)程更加緩慢和持續(xù)。對(duì)于C45-2 試件，當(dāng)荷載加到781kN 時(shí)，荷載此時(shí)下降；當(dāng)荷載緩慢下降到480kN 時(shí)，聽(tīng)到試件發(fā)出噼啪響聲，并且試件中上端部沿纖維方向位置變白；荷載持續(xù)下降，試件中部稍微膨脹，試件出現(xiàn)變形，試件損壞。對(duì)于C45-3 試件，當(dāng)荷載加到726kN 時(shí)，荷載此時(shí)下降；當(dāng)荷載緩慢下降到540kN 時(shí)，聽(tīng)到試件發(fā)出噼啪響聲，試件中上端部沿纖維方向位置變白；荷載持續(xù)下降，試件中部稍微膨脹，試件出現(xiàn)變形，試件損壞。部分試件安裝在壓力試驗(yàn)機(jī)時(shí)以及破壞后的形態(tài)如圖3 所示。

圖3 CFFT 試件軸壓破壞模態(tài)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 為試驗(yàn)結(jié)果。

另外，繪制了9 個(gè)試件的軸向荷載-應(yīng)變曲線，如圖4 所示，其中試件的軸向應(yīng)變來(lái)自于三個(gè)位移計(jì)讀數(shù)的平均值，而環(huán)向應(yīng)變來(lái)自于四個(gè)環(huán)向應(yīng)變片的平均值。

3.3 分析

從表1、圖4 可知，纏繞角為±80°和±60°的復(fù)材管都能極大提高約束混凝土的極限承載力。C80 試件的荷載-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出典型的雙線型曲線，而C60 試件的荷載-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出與C80 試件相似的曲線，但強(qiáng)化段的剛度明顯小于C80 試件，而C80 試件的極限應(yīng)變比C60 試件小，即C60 試件的延展性較好。對(duì)于C45試件，由曲線可知，復(fù)材管并沒(méi)有提高約束混凝土的強(qiáng)度，C45 管試件破壞過(guò)程相比纏繞角±80°和纏繞角±60°復(fù)材管試件更為緩慢和持續(xù)，即復(fù)材管并不是在最終突然發(fā)生破壞，而是有一個(gè)較緩慢的破壞過(guò)程，所以對(duì)軸向應(yīng)變提高很大，表現(xiàn)出較好的延展性。

表1 試件的幾何參數(shù)和主要試驗(yàn)結(jié)果

圖4 試件軸向荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

4 結(jié)論

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)可得：

⑴對(duì)于復(fù)材管纖維纏繞角度為±80°和±60°的CFFT 試件，其軸壓荷載達(dá)到峰值時(shí)，承載力急劇下降，破壞過(guò)程劇烈；對(duì)于纖維纏繞角度為±45°的試件，軸壓荷載達(dá)到極限荷載后持續(xù)緩慢下降，復(fù)材管破壞現(xiàn)象不明顯。

⑵纖維纏繞角絕對(duì)值越小，復(fù)材管對(duì)約束混凝土的約束作用越小，試件整體的最大承載力隨著纖維纏繞角絕對(duì)值的減小而減小，試件整體的最大極限應(yīng)變隨著纖維纏繞角絕對(duì)值的減小而增大。