纖維纏繞角度對復材纏繞管的軸向抗壓性能影響分析

彭 旭,楊 森,鄒 毅,周龍華,黃奕森,黃旖珩,謝 攀

(華南農業大學水利與土木工程學院,廣東 廣州 510642)

1 引 言

橋梁墩柱的施工條件及受力狀況與上部結構不同,跨海橋梁由于特殊的海洋環境,墩柱結構極易被腐蝕,受到破壞后難以修復。然而,海洋是嚴酷的自然腐蝕環境之一,海洋工程結構要遭受海水、海洋大氣或更為嚴酷的飛濺區、潮差區的腐蝕。傳統的建筑材料在海洋環境中極易腐蝕,據統計,我國約有24%的東南沿海公路橋梁產生了鋼筋銹蝕與銹脹裂縫[1],我國每年因鋼材銹蝕導致的經濟損失超過國民生產總值的3%。因此,對于墩柱的材料選取極為重要。新型纖維增強樹脂基復合材料(Fiber-reinforced resin matrix composites)因其比強度高、比模量大、耐腐蝕、耐久性好等優點被廣泛應用在橋梁建設等工程中。由于新型復合材料的熱膨脹系數與混凝土相近,使得FRP約束混凝土時,混凝土處于多向受壓狀態。從而提高了其約束混凝土的強度等力學性能。故FRP包裹的混凝土組合柱構件能滿足現代結構向大跨、高聳、重載、輕質高強以及在惡劣條件下工作的需要,同時也能滿足現代建筑施工工業化發展的要求[2-4]。

目前對FRP混凝土組合柱構件的研究仍然存在不嚴謹或不完全適用之處,如構件中的FRP通常被認為處于單軸應力狀態(即環向拉力),特別是當纖維取向接近環向時[5]。然而實際復合材料組合構件中,FRP管應該是受到雙軸應力(環向拉力和軸向壓力)。因此需要做進一步的試驗來測定,并且測定方式的準確性也需要進行深入研究。由于其纖維以接近環向布置為主,所以復材管在軸向壓縮下,表現出明顯的非線性。因此,對于復材管在土木工程的應用研究和實踐而言,準確測定復材管的軸向壓縮性能,包括軸向壓縮線性參數(軸向壓縮強度、軸向壓縮彈性模量和泊松比)和考慮非線性的參數具有重要的意義。在測量復合材料壓縮性能的試驗方法中,除了傳統的直條形片材壓縮試驗[6-7]外,各國學者也提出了許多不同的試驗方法。如為了消除邊界效應、試樣弧形等不利影響,在測定復材管軸向壓縮性能時直接采用完整的管段作為試樣[8-9]。但是現有的這些方法在實際工程應用中都存在著一定的局限性,如難以適應工業化生產的纖維纏繞管管徑的波動以及壁厚的變化,且試驗裝置難以重復利用等。為此,在一些學者[10-15]的研究基礎上,參考各個國家和地區的試驗標準,總結經驗,利用一種新型簡易的測量復材管軸向壓縮性能的試驗裝置[16],分析纖維纏繞角為45°、60°和80°的玻璃纖維復合材料管在軸向受壓情況下的試驗數據,探索強度性能更好的FRP混凝土組合柱構件。

項目依托廣東省大學生創新創業項目“基于海洋環境下的復材混凝土新型組合墩柱力學性能的研究”,以GFRP空管為對象開展試驗,旨在研究其軸壓狀態下的力學性能和破壞形態,掌握不同纖維纏繞角度對構件軸向抗壓性能的影響。研究不同纖維纏繞角度對復材纏繞管的軸向抗壓性能的影響更加貼合實際應用需求。可以為海洋環境下的橋梁工程提供試驗基礎和數據支撐。

2 試驗方案

2.1 試件準備

試驗采用的是連云港中復連眾復合材料集團有限公司提供的玻璃纖維復合材料(Glass FRP,GFRP)纏繞管,其中樹脂選材為鄰苯樹脂。該玻璃纖維復合材料管管身輕而硬,不導電,性能穩定,機械強度高且耐腐蝕。試驗制作了3組試件,每組3個,共9個玻璃纖維復合材料纏繞管。纖維纏繞角分別為45°、60°和80°。根據廠家提供的數據報告,各試件的名義直徑為150 mm、名義壁厚為 3 mm、高度為150 mm。試件需經過外觀檢查,如有缺陷或不符合尺寸及制備要求的試件,應作廢處理。將合格試件進行編號,并測量試件尺寸。分別測量試件的內徑及試件的厚度。在試件兩個端面上,分別測量相互垂直兩個方向上的內徑,取其平均值作為平均內徑。在試樣任一端面的8個等間隔處測量壁厚,舍棄其中最大值和最小值,取其余各點的平均值為平均壁厚,試件的壁厚為兩個端面平均壁厚的平均值。實際測量試件的具體尺寸參數如表1所示。為避免試件在加載時因應力集中而在端部率先發生破壞,在所有試件兩端外壁均粘貼纏繞1層寬度為25 mm的碳纖維布,使用高強石膏對試件兩個端面進行找平,放置陰涼通風處自然風干后對試樣進行打磨處理,修除管壁上的膠瘤或突起等。

表1 試件尺寸

2.2 試驗裝置

每個試件在其高度一半的位置沿環向均勻粘貼四個環向電阻應變片和四個縱向電阻應變片,分別用于測量試件的環向應變和軸壓應變,應變片長度均為20 mm。

試驗參考“測量結構工程用復合材料管軸向壓縮性能的試驗裝置”[16],設計了專門的端板裝置來嵌固試件的端部。將試樣的上端套入上端板中心的圓柱形凸起中,并初步對中,確保加載過程中復材管均勻對稱受壓。安裝時將管狀試件的端部嵌入端板的凹槽并填充高強度石膏來加固試樣的端部,待凹槽內的高強度石膏硬化后,倒轉試樣,進行下端板的嵌套,方法同上端板。端板的凹槽具有一定的調節度,可適應復材管管徑和壁厚的波動。

利用MTS材料試驗系統進行空復材管試件的軸向壓縮試驗。通過調整試件在試驗機加載板上的位置來確保試件處于軸向壓縮的受力狀態。由電腦控制試驗加載,并全程采集數據。試驗加載模式為位移控制,對試樣均勻加載,加載速率為0.6 mm/min,且加載過程保證上、下端板平行,勻速加載直至試件破壞。為保證試樣的軸向壓縮,在正式加載開始前需對試樣進行對中調試。將試樣初步加載至軸向應變達到0.000 2左右,判斷對稱布置軸向電阻應變片的軸向應變誤差值不大于兩者平均值的10%,即滿足試樣對中的要求。否則需調整試樣的位置直至滿足對中要求。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗現象及破壞形態

三種不同纖維纏繞角度的玻璃纖維復材管在軸向壓縮作用下,表現出不同的試驗現象和破壞形態。

加載初期,通過分析電腦采集到的軸向應變數據可知,試件處于軸向對中狀態,試件除了發生軸向壓縮變形和輕微的側向膨脹外,并無其他明顯現象。

纖維纏繞角為45°的試件的破壞并不是在最終突然發生,在軸壓應力50～58 MPa之間,會發生明顯的膠層開裂,出現裂縫但不明顯,隨著軸向荷載的增加,試件出現明顯的白色裂紋并逐漸由中部向四周擴散,是發展得較為緩慢的一個持續過程。而在中后期,纖維層與層之間發生較大面積的剝離,在管中部呈現出非常明顯的白色。最終破壞面不太明顯,與纖維纏繞方向平行。

纖維纏繞角為60°的試件,纖維層與層之間的剝離現象相對較輕,隨著荷載的增加,復材管表面沿著纖維纏繞方向出現白斑,但不太集中。最后沿纖維纏繞方向的纖維斷裂面非常明顯。

而對于纖維纏繞角為80°的試件,由于纖維趨于環向纏繞,纖維層與層之間的剝離現象不明顯,所以加載過程中復材管表面沿著纖維纏繞方向的白斑不是特別明顯,破壞相對突然,最終的破壞面接近于水平方向。

所有的試件在壓縮過程中,均可聽到噼啪的纖維斷裂聲,在破環時均伴隨著爆裂聲。

3.2 試驗曲線

根據試驗收集到的數據,分別繪制纏繞角為45°、60°和80°的各組試件的軸壓應力-軸向應變曲線和軸向應變-環向應變曲線,如圖1、圖2所示。其中,軸向壓縮應力為軸壓荷載與空管橫截面積的比值,而軸向應變和環向應變分別取4個軸向電阻應變片和4個環向電阻應變片讀數的平均值。可以注意到,有些試件的破壞軸向應變較小,例如F45-2、F60-1、F80-2,原因是其對應試件離散水平較大,試件瞬間破壞。

圖1 試件的軸壓應力-軸向應變曲線

圖2 試件的環向應變-軸向應變曲線

3.3 主要試驗結果

根據試驗結果,通過公式(1)、公式(2)計算得出不同纖維纏繞角度試件的軸向壓縮彈性模量和泊松比,如表2所示。其中,軸向壓縮彈性模量和泊松比的計算結果均是取用平均軸向應變為0.002～0.003之間線性段的數據,并根據有關規范說明進行計算得出。

表2 試驗結果

(1)

式中:Ex,c為試件軸向壓縮彈性模量,MPa;x僅代表軸向,無任何數學意義;c僅代表壓縮狀態,無任何數學意義;ΔF為試件在彈性階段荷載增量,N;d為試件實測內徑,mm;t為試件實測厚度,mm;Δεx為與荷載增量ΔF對應的試件軸向應變增量。

(2)

式中:vxθ為試件軸向壓縮泊松比;Δεθ為與荷載增量ΔF對應的試件環向應變增量;θ僅代表環向,無任何數學意義。

從表2中可以看到,45°纖維纏繞角試件的軸向壓縮彈性模量和泊松比最高,60°的次之,80°的最低。表明45°的延性最優。由于80°纖維纏繞角的GFRP管試件的纖維基本趨于環向纏繞,而60°纖維纏繞角的GFRP管試件表現出與80°纖維纏繞角的GFRP管試件相似的軸壓應力與軸向應變關系,但強化段的剛度明顯比80°纖維纏繞角的GFRP管試件的小。在荷載作用早期,環向應變較小,荷載對GFRP管試件的作用不明顯,所有角度的GFRP管試件的應變曲線基本一致。但隨著荷載的增加,軸壓應力-軸向應變的曲率都變小,但是軸向應變的增長變快,GFRP管的環向應變增大。其中45°纖維纏繞角的GFRP管試件的環向應變增長幅度最大,60°的次之,80°的最低。

4 結 論

對45°、60°和80°三種不同纖維纏繞角度的復材管進行軸向壓縮試驗,通過對比三種不同纖維纏繞角度的復材管在軸向壓縮作用下的破壞形態及分析試驗數據整理的結果,評估纖維纏繞角度對復材管軸向抗壓性能的影響,可以為探索強度性能更好的FRP混凝土組合柱構件提供試驗基礎和數據支撐,并為海洋環境下的橋梁工程尤其是墩柱部分有關材料的選取提供參考。試驗得到以下主要結論。

(1)玻璃纖維復材管在軸向壓縮作用下,隨著荷載的增加會逐漸產生輕微的側向膨脹,外壁會先出現白斑并沿著纏繞角方向不斷延展,當達到極限荷載時,復材管會突然發生破壞并發出巨響,破壞面與纖維纏繞角度平行。

(2)用專門設計的復材管軸向壓縮裝置可以較為準確地測量出復材管軸向壓縮彈性模量和泊松比等軸向壓縮參數。

(3)復材管軸壓試驗結果顯示:隨著纖維纏繞角的變小,復材管表現出更大的軸向壓縮彈性模量和泊松比。