談膨脹混凝土柱軸心抗壓性能試驗范文
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【摘要】為研究GFRP管（玻璃纖維增強聚合物）的管壁厚度以及膨脹劑摻量對GFRP管約束膨脹混凝土柱軸壓性能的影響，選定最優(yōu)配合比的膨脹混凝土灌注入GFRP管，形成約束膨脹混凝土柱。設(shè)計直徑200mm、高600mm的GFRP管約束膨脹混凝土柱，并進行軸心抗壓實驗測試應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，觀察其破壞模式。得出結(jié)論：加入膨脹劑使GFRP管主動約束混凝土，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，提高了結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能；并且，極限載荷理論計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。
【關(guān)鍵詞】膨脹混凝土；GFRP管；軸心受壓；破壞模式；軸向承載力公式
纖維增強復(fù)合材料（FRP）作為一種新型的材料，有自重輕、抗拉強度高、抗腐蝕性能強等特點。當(dāng)今建筑的主要結(jié)構(gòu)，耐腐蝕性差是嚴(yán)重缺陷，F(xiàn)RP的出現(xiàn)正好解決了建筑結(jié)構(gòu)面臨的問題。將混凝土澆注到FRP管中，最早是由Mirmiran[1,2]提出，這種組合意義重大。它不僅節(jié)省了澆筑混凝土的模板，簡化了建筑物和橋梁中柱結(jié)構(gòu)的施工過程，而且提高了機械性能和耐腐蝕性。當(dāng)FRP約束混凝土柱承受軸向荷載作用時，與普通混凝土柱相比，該柱的承載力和延性有所提高。FRP的使用，使混凝土柱的承載能力和延性均有所提高。FRP約束混凝土的軸壓性能已得到廣泛研究，如FRP形狀[3-5]、FRP厚度[6]、纏繞角度[6]，部分填充或完全填充的FRP管[7]、以及鋼或FRP管[8]、FRP約束混凝土柱的抗壓強度和延性等。FRP還用于加固現(xiàn)有的混凝土柱[9,10]。與CFRP管相比，GFRP管因其價格較低而在約束混凝土柱中得到廣泛采用。許多實驗開始研究混凝土強度、加固比、荷載[11]、纖維纏繞天線[12]、內(nèi)部空心截面[13]、不同截面[14]、混凝土柱類型[15]等影響因素對GFRP約束混凝土柱的力學(xué)性能的影響。GFRP約束柱也有許多理論分析，提出了用于預(yù)測GFRP約束混凝土柱壓縮性能的分段計算方程[16,17]。雖然已經(jīng)采取了許多措施來提高GFRP約束混凝土柱的抗壓能力，但仍然可能會得出GFRP與GFRP管和混凝土收縮或混凝土流動性差的約束混凝土之間的隔離結(jié)果。曹旗等人[13]研究了CFRP約束混凝土中膨脹劑的影響。研究發(fā)現(xiàn)，膨脹混凝土的預(yù)應(yīng)力提高了CFRP約束混凝土柱的極限抗壓荷載。然而，對GFRP約束膨脹混凝土柱的研究卻很少。盡管對FRP約束混凝土柱的實驗和分析研究已經(jīng)得到了廣泛的研究，但很少見到膨脹混凝土作為核心混凝土的應(yīng)用。膨脹摻加量對GFRP柱軸向壓縮性能的影響的研究非常有限。本試驗通過GFRP約束混凝土圓柱的軸壓實驗研究，研究GFRP管壁厚度、膨脹劑摻量等參數(shù)對GFRP約束混凝土圓柱軸壓性能的影響。
1實驗材料及方法
1.1膨脹混凝土本試驗設(shè)計強度為（C40、C50）的膨脹混凝土，對膨脹混凝土的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、限制膨脹率、彈性模量進行研究，膨脹劑通過內(nèi)摻方式，等質(zhì)量法替代水泥。通過試配結(jié)果，選取P12-40和P12-50兩個最優(yōu)配合比以及未摻加膨脹劑的P0-40和P0-50，制備GFRP管約束膨脹混凝土核心，抗壓強度、劈裂抗拉強度、限制膨脹率和彈性模量對比分析結(jié)果如表1所示。
1.2GFRP管約束膨脹混凝土柱軸心抗壓試驗1.2.1試驗概況該軸壓試驗共有8根GFRP管試件。4根厚度為5mm的GFRP管，4根厚度為8mm的GFRP管，并在GFRP管下端部纏上1.5倍周長的碳纖維布，防止加載時端部破壞。試件尺寸簡圖如圖1所示，試件參數(shù)表見表2。1.2.2試件的制備制備GFRP管約束膨脹混凝土?xí)r，GFRP管可直接作為澆筑模板，GFRP管澆注混凝土?xí)r，從管口分?jǐn)?shù)次灌入，每次均用振搗棒振實，表面抹平以保證加載時均勻受力。澆筑效果如圖2。1.2.3實驗裝置軸心受壓試件的加載裝置及測點布置如圖3、壓力機及GFRP管約束膨脹混凝土試件如圖4所示。儀器使用廣東工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗室10000KN壓力試驗機，在試件半高處每隔90°貼上橫、縱應(yīng)變片，共8個應(yīng)變片，測試中間截面在加載過程中產(chǎn)生的軸向和環(huán)向應(yīng)變。在試件直徑兩端布置兩個10cm的位移計，用來測試加載過程中的縱向位移，試件上下端部纏繞FRP布，GFRP管上下兩面通過石膏整平，再在上下端墊鐵塊，壓在試件上表面，與壓力機的上承壓板接觸。壓力機以0.36mm/min的加載速度，對GFRP管混凝土柱進行持續(xù)加載，直到破壞為止。
2實驗結(jié)果與分析
2.1實驗現(xiàn)象觀察同一配比混凝土在不同厚度的GFRP管壁厚度（5mm、8mm）條件下的破壞情況，觀察到，當(dāng)使用5mm的GFRP管時，試件破壞為細狀條帶，并大部分有混凝土渣漏出，且在斷口處玻璃纖維成粉狀，而采用8mm厚的玻璃鋼管破壞時，大部分呈現(xiàn)寬條帶裝，未有混凝土渣漏出，且里層包裹一層薄薄的白色GFRP纖維層。在GFRP管上下兩端纏繞3cm寬的碳纖維布，防止試件端部破壞，基本達到了預(yù)先設(shè)想的中部混凝土壓縮膨脹，破壞GFRP管的效果。試驗結(jié)果如表3所示，圖5、圖6分別為P12-50-5和P12-50-8加載破壞圖。
2.2結(jié)果分析控制GFRP管的厚度，研究摻加膨脹劑的混凝土對比普通混凝混凝土在GFRP管約束條件下對結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變的影響，C40試件和C50試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖7、圖8。⑴對比試件P0-40-5、P12-40-5的軸向應(yīng)變曲線和環(huán)向應(yīng)變曲線，可知加入膨脹劑的C40試件（P12-40-5軸向承載力比未加入膨脹劑試件（P0-40-5）的軸向承載力高。由于膨脹劑的加入使混凝土向外膨脹，外部的GRRP管的約束，使混凝土受環(huán)向應(yīng)力，提高了柱的軸心抗壓強度。⑵試件P0-40-8、P12-40-8，本組控制GFRP管的厚度為8mm，從圖7可以發(fā)現(xiàn)膨脹劑的摻入降低了結(jié)構(gòu)的極限抗壓強度，極限應(yīng)力降低了4.46%，軸向應(yīng)變環(huán)向應(yīng)變基本一致。由于8mm的GFRP管過厚，與壓力機的接觸面積變大，GFRP管本身承受軸向荷載的影響變大，由于GFRP管的抗壓性能較差，當(dāng)受到軸向荷載時，GFRP管先破壞，膨脹劑在8mm的GFRP管內(nèi)不能充分發(fā)揮其抗壓性能。⑶試件P0-50-5、P12-50-5，本組控制GFRP管的厚度為5mm，見圖8可發(fā)現(xiàn)膨脹劑的摻入提高了極限軸向應(yīng)力，相比無摻加略有增大，但效果并不明顯。⑷試件P0-50-8、P12-50-8，本組控制GFRP管的厚度為8mm，從圖8可以發(fā)現(xiàn)加入膨脹劑的試件相比無摻加膨脹劑的混凝土的極限軸力增大明顯。
3GFRP管軸壓柱的力學(xué)性能的理論研究
對于鋼管約束混凝土柱而言，其承載力計算方法有較為成熟的理論依據(jù)，而本次試驗中的GFRP管約束膨脹混凝土柱的承載力計算方法至今沒有比較成熟和實用的理論依據(jù)和理論研究，因此根據(jù)普通鋼管混凝土柱的計算公式進行計算分析。GFRP管約束膨脹混凝土構(gòu)件屬于新興結(jié)構(gòu)，故GFRP管約束膨脹混凝土柱仍參照普通鋼管混凝土柱的承載力計算公式進行近似計算。本文GFRP管約束膨脹混凝土的受力方式為全截面受壓方式，即GFRP管和混凝土同時受壓。核心混凝土受到軸壓應(yīng)力和徑向約束應(yīng)力的作用，在軸壓應(yīng)力σc下產(chǎn)生軸壓應(yīng)變?yōu)棣與c，由于泊松效應(yīng)混凝土產(chǎn)生橫向變形μR1：UR1=VcRεcc(式1)Vc為混凝土的泊松比，R為核心混凝土的半徑。核心混凝土在徑向應(yīng)力σR下產(chǎn)生的橫向壓縮變形為μR2：由變形協(xié)調(diào)條件可知，管的橫向應(yīng)變與管的環(huán)拉應(yīng)變相等，所以GFRP管的橫向變形為μ＇R1：GFRP管受到軸向壓力時，管與混凝土同時產(chǎn)生壓應(yīng)變εcc，管由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生橫向變形μ＇R2：μ＇R2=VsRεcc(式3)根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，混凝土與GFRP管產(chǎn)生的變形一致，所以在壓GFRP混凝土柱時，μ1-μ2=μ＇R1+μ＇R2，將上述公式代入并整理得：[19]以上各式中，Vc、Vs分別為混凝土和GFRP管的泊松比，Ec、Es分別為混凝土和GFRP管的彈性模量。由公式可以得出在受到持續(xù)力加載時，當(dāng)混凝土的泊松比與GFRP管的泊松比的比例大于1時，管才對混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。在GFRP管混凝土柱全截面受力的情況下，當(dāng)核心混凝土的泊松比與GFRP管的泊松比大于1時，管內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，管承受軸向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力兩種應(yīng)力，由于軸壓應(yīng)力使GFRP管對核心混凝土的約束性能降低，當(dāng)GFRP管達到軸向和環(huán)向雙向承載力的極限狀態(tài)時試件破壞。引用Tsar-Wu[20]準(zhǔn)則計算GFRP管極限狀態(tài)下的應(yīng)力，設(shè)變量ξ，當(dāng)ξ>1時，GFRP管破壞。ξ的表達式為：[19-22]其中：fa為GFRP管軸心抗壓強度，fh為GFRP管環(huán)向抗壓強度，σa、σh以拉為正，壓為負(fù)。GFRP管為各向異性的線彈性材料，雙向應(yīng)力狀態(tài)下的管的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由廣義的胡克定律表示：上式中，Eh、Ea分別為GFRP管的環(huán)向和軸向彈性模量；νah、νha分別為GFRP管的環(huán)向、軸向泊松比，由Mirmiran的公式[21,23]計算出或者通過實驗測出。將公式⑺、⑻代入⑸，如果ξ≥1，則GFRP管破壞。GFRP管受到的軸壓應(yīng)力降低了GFRP管對混凝土的約束效果，但GFRP管承擔(dān)軸力進一步彌補了約束效果的不足。GFRP管的拉應(yīng)力與其對混凝土的約束應(yīng)力：其中fsu為GFRP管的環(huán)向抗拉強度，t為管璧厚度，d為GFRP管的內(nèi)徑。混凝土的初始彈模，對于普通強度混凝土：f＇co為無約束混凝土圓柱體的軸心抗壓強度，f＇co與fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系式為[24]：f＇co為無約束混凝土圓柱體的軸心抗壓強度，fcu的單位為Psi，1000Psi=6.89MPa，一般情況下：根據(jù)現(xiàn)有強度計算公式，計算GFRP套管內(nèi)的混凝土截面的軸壓強度：f＇cc為GFRP管的軸心抗壓強度，f＇co為混凝土的軸心抗壓強度，由公式可以看出GFRP管的軸心抗壓強度受GFRP管的對混凝土的約束應(yīng)力的大小和核心受壓混凝土的軸心抗壓強度影響。GFRP管混凝土柱的軸壓承載力計算公式為：N=f＇ccA(式15)式⒂中f＇cc為GFRP管的軸心抗壓強度，A為管內(nèi)混凝土截面面積。把相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式中對比實驗所測數(shù)據(jù)與理論數(shù)值的差異見圖9。分析結(jié)果和實驗結(jié)果如圖9所示。可以看出，當(dāng)計算GFRP的軸向抗壓強度時，計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比值在0.74～1.04（標(biāo)準(zhǔn)偏差0.093）的范圍內(nèi)。當(dāng)考慮GFRP的軸向抗壓強度時，其在0.81～1.15（標(biāo)準(zhǔn)偏差0.106）的范圍內(nèi)。一般而言，后者的計算極限載荷與實驗結(jié)果相比較，與前者相比更好。因此，建議在進行極限荷載的理論計算時，應(yīng)考慮GFRP管的軸向抗壓強度，特別是對于大厚度GFRP約束。
4結(jié)論
本文通過將摻加膨脹劑的混凝土灌入厚度為5mm和8mm的GFRP管中，分析膨脹劑對GFRP柱力學(xué)性能的影響，以及GFRP管厚度對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的影響，并通過理論公式分析GFRP管結(jié)構(gòu)的受力情況，以及軸壓破壞所得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過理論和實際數(shù)據(jù)相結(jié)合再次驗證了FRP管的軸壓力學(xué)公式，并得出以下結(jié)論：⑴膨脹劑替代率為12%，可達到C40和C50混凝土的目標(biāo)抗壓強度和最大膨脹率。⑵GFRP約束混凝土柱的破壞模式是脆性破壞，所有柱試樣都有GFRP纖維斷裂。⑶GFRP約束膨脹混凝土試件比GFRP約束的未摻膨脹混凝土試件具有更高的承載能力。⑷GFRP管的厚度對試件的應(yīng)變有正向影響。混凝土強度對GFRP約束混凝土柱軸壓強度的影響不明顯。⑸理論分析與實驗結(jié)果吻合良好。這表明在實際計算中，應(yīng)特別考慮GFRP管的軸向抗壓強度。
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作者：李岱韓 姜海波 曲炎 陳穎 曹旗 單位：廣東工業(yè)大學(xué)
