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谈膨胀混凝土柱轴心抗压性能试验

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【摘要】为研究GFRP管(玻璃纤维增强聚合物)的管壁厚度以及膨胀剂掺量对GFRP管约束膨胀混凝土柱轴压性能的影响,选定最优配合比的膨胀混凝土灌注入GFRP管,形成约束膨胀混凝土柱。设计直径200mm、高600mm的GFRP管约束膨胀混凝土柱,并进行轴心抗压实验测试应力-应变曲线图,观察其破坏模式。得出结论:加入膨胀剂使GFRP管主动约束混凝土,结构产生预应力,提高了结构的整体力学性能;并且,极限载荷理论计算结果与实验数据吻合良好。

【关键词】膨胀混凝土;GFRP管;轴心受压;破坏模式;轴向承载力公式

纤维增强复合材料(FRP)作为一种新型的材料,有自重轻、抗拉强度高、抗腐蚀性能强等特点。当今建筑的主要结构,耐腐蚀性差是严重缺陷,FRP的出现正好解决了建筑结构面临的问题。将混凝土浇注到FRP管中,最早是由Mirmiran[1,2]提出,这种组合意义重大。它不仅节省了浇筑混凝土的模板,简化了建筑物和桥梁中柱结构的施工过程,而且提高了机械性能和耐腐蚀性。当FRP约束混凝土柱承受轴向荷载作用时,与普通混凝土柱相比,该柱的承载力和延性有所提高。FRP的使用,使混凝土柱的承载能力和延性均有所提高。FRP约束混凝土的轴压性能已得到广泛研究,如FRP形状[3-5]、FRP厚度[6]、缠绕角度[6],部分填充或完全填充的FRP管[7]、以及钢或FRP管[8]、FRP约束混凝土柱的抗压强度和延性等。FRP还用于加固现有的混凝土柱[9,10]。与CFRP管相比,GFRP管因其价格较低而在约束混凝土柱中得到广泛采用。许多实验开始研究混凝土强度、加固比、荷载[11]、纤维缠绕天线[12]、内部空心截面[13]、不同截面[14]、混凝土柱类型[15]等影响因素对GFRP约束混凝土柱的力学性能的影响。GFRP约束柱也有许多理论分析,提出了用于预测GFRP约束混凝土柱压缩性能的分段计算方程[16,17]。虽然已经采取了许多措施来提高GFRP约束混凝土柱的抗压能力,但仍然可能会得出GFRP与GFRP管和混凝土收缩或混凝土流动性差的约束混凝土之间的隔离结果。曹旗等人[13]研究了CFRP约束混凝土中膨胀剂的影响。研究发现,膨胀混凝土的预应力提高了CFRP约束混凝土柱的极限抗压荷载。然而,对GFRP约束膨胀混凝土柱的研究却很少。尽管对FRP约束混凝土柱的实验和分析研究已经得到了广泛的研究,但很少见到膨胀混凝土作为核心混凝土的应用。膨胀掺加量对GFRP柱轴向压缩性能的影响的研究非常有限。本试验通过GFRP约束混凝土圆柱的轴压实验研究,研究GFRP管壁厚度、膨胀剂掺量等参数对GFRP约束混凝土圆柱轴压性能的影响。

1实验材料及方法

1.1膨胀混凝土本试验设计强度为(C40、C50)的膨胀混凝土,对膨胀混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、限制膨胀率、弹性模量进行研究,膨胀剂通过内掺方式,等质量法替代水泥。通过试配结果,选取P12-40和P12-50两个最优配合比以及未掺加膨胀剂的P0-40和P0-50,制备GFRP管约束膨胀混凝土核心,抗压强度、劈裂抗拉强度、限制膨胀率和弹性模量对比分析结果如表1所示。

1.2GFRP管约束膨胀混凝土柱轴心抗压试验1.2.1试验概况该轴压试验共有8根GFRP管试件。4根厚度为5mm的GFRP管,4根厚度为8mm的GFRP管,并在GFRP管下端部缠上1.5倍周长的碳纤维布,防止加载时端部破坏。试件尺寸简图如图1所示,试件参数表见表2。1.2.2试件的制备制备GFRP管约束膨胀混凝土时,GFRP管可直接作为浇筑模板,GFRP管浇注混凝土时,从管口分数次灌入,每次均用振捣棒振实,表面抹平以保证加载时均匀受力。浇筑效果如图2。1.2.3实验装置轴心受压试件的加载装置及测点布置如图3、压力机及GFRP管约束膨胀混凝土试件如图4所示。仪器使用广东工业大学结构力学实验室10000KN压力试验机,在试件半高处每隔90°贴上横、纵应变片,共8个应变片,测试中间截面在加载过程中产生的轴向和环向应变。在试件直径两端布置两个10cm的位移计,用来测试加载过程中的纵向位移,试件上下端部缠绕FRP布,GFRP管上下两面通过石膏整平,再在上下端垫铁块,压在试件上表面,与压力机的上承压板接触。压力机以0.36mm/min的加载速度,对GFRP管混凝土柱进行持续加载,直到破坏为止。

2实验结果与分析

2.1实验现象观察同一配比混凝土在不同厚度的GFRP管壁厚度(5mm、8mm)条件下的破坏情况,观察到,当使用5mm的GFRP管时,试件破坏为细状条带,并大部分有混凝土渣漏出,且在断口处玻璃纤维成粉状,而采用8mm厚的玻璃钢管破坏时,大部分呈现宽条带装,未有混凝土渣漏出,且里层包裹一层薄薄的白色GFRP纤维层。在GFRP管上下两端缠绕3cm宽的碳纤维布,防止试件端部破坏,基本达到了预先设想的中部混凝土压缩膨胀,破坏GFRP管的效果。试验结果如表3所示,图5、图6分别为P12-50-5和P12-50-8加载破坏图。

2.2结果分析控制GFRP管的厚度,研究掺加膨胀剂的混凝土对比普通混凝混凝土在GFRP管约束条件下对结构应力-应变的影响,C40试件和C50试件应力-应变曲线见图7、图8。⑴对比试件P0-40-5、P12-40-5的轴向应变曲线和环向应变曲线,可知加入膨胀剂的C40试件(P12-40-5轴向承载力比未加入膨胀剂试件(P0-40-5)的轴向承载力高。由于膨胀剂的加入使混凝土向外膨胀,外部的GRRP管的约束,使混凝土受环向应力,提高了柱的轴心抗压强度。⑵试件P0-40-8、P12-40-8,本组控制GFRP管的厚度为8mm,从图7可以发现膨胀剂的掺入降低了结构的极限抗压强度,极限应力降低了4.46%,轴向应变环向应变基本一致。由于8mm的GFRP管过厚,与压力机的接触面积变大,GFRP管本身承受轴向荷载的影响变大,由于GFRP管的抗压性能较差,当受到轴向荷载时,GFRP管先破坏,膨胀剂在8mm的GFRP管内不能充分发挥其抗压性能。⑶试件P0-50-5、P12-50-5,本组控制GFRP管的厚度为5mm,见图8可发现膨胀剂的掺入提高了极限轴向应力,相比无掺加略有增大,但效果并不明显。⑷试件P0-50-8、P12-50-8,本组控制GFRP管的厚度为8mm,从图8可以发现加入膨胀剂的试件相比无掺加膨胀剂的混凝土的极限轴力增大明显。

3GFRP管轴压柱的力学性能的理论研究

对于钢管约束混凝土柱而言,其承载力计算方法有较为成熟的理论依据,而本次试验中的GFRP管约束膨胀混凝土柱的承载力计算方法至今没有比较成熟和实用的理论依据和理论研究,因此根据普通钢管混凝土柱的计算公式进行计算分析。GFRP管约束膨胀混凝土构件属于新兴结构,故GFRP管约束膨胀混凝土柱仍参照普通钢管混凝土柱的承载力计算公式进行近似计算。本文GFRP管约束膨胀混凝土的受力方式为全截面受压方式,即GFRP管和混凝土同时受压。核心混凝土受到轴压应力和径向约束应力的作用,在轴压应力σc下产生轴压应变为εcc,由于泊松效应混凝土产生横向变形μR1:UR1=VcRεcc(式1)Vc为混凝土的泊松比,R为核心混凝土的半径。核心混凝土在径向应力σR下产生的横向压缩变形为μR2:由变形协调条件可知,管的横向应变与管的环拉应变相等,所以GFRP管的横向变形为μ'R1:GFRP管受到轴向压力时,管与混凝土同时产生压应变εcc,管由于泊松效应产生横向变形μ'R2:μ'R2=VsRεcc(式3)根据变形协调条件,混凝土与GFRP管产生的变形一致,所以在压GFRP混凝土柱时,μ1-μ2=μ'R1+μ'R2,将上述公式代入并整理得:[19]以上各式中,Vc、Vs分别为混凝土和GFRP管的泊松比,Ec、Es分别为混凝土和GFRP管的弹性模量。由公式可以得出在受到持续力加载时,当混凝土的泊松比与GFRP管的泊松比的比例大于1时,管才对混凝土产生环向拉应力。在GFRP管混凝土柱全截面受力的情况下,当核心混凝土的泊松比与GFRP管的泊松比大于1时,管内产生环向拉应力,管承受轴向压应力和环向拉应力两种应力,由于轴压应力使GFRP管对核心混凝土的约束性能降低,当GFRP管达到轴向和环向双向承载力的极限状态时试件破坏。引用Tsar-Wu[20]准则计算GFRP管极限状态下的应力,设变量ξ,当ξ>1时,GFRP管破坏。ξ的表达式为:[19-22]其中:fa为GFRP管轴心抗压强度,fh为GFRP管环向抗压强度,σa、σh以拉为正,压为负。GFRP管为各向异性的线弹性材料,双向应力状态下的管的应力应变关系可由广义的胡克定律表示:上式中,Eh、Ea分别为GFRP管的环向和轴向弹性模量;νah、νha分别为GFRP管的环向、轴向泊松比,由Mirmiran的公式[21,23]计算出或者通过实验测出。将公式⑺、⑻代入⑸,如果ξ≥1,则GFRP管破坏。GFRP管受到的轴压应力降低了GFRP管对混凝土的约束效果,但GFRP管承担轴力进一步弥补了约束效果的不足。GFRP管的拉应力与其对混凝土的约束应力:其中fsu为GFRP管的环向抗拉强度,t为管璧厚度,d为GFRP管的内径。混凝土的初始弹模,对于普通强度混凝土:f'co为无约束混凝土圆柱体的轴心抗压强度,f'co与fcu的转换关系式为[24]:f'co为无约束混凝土圆柱体的轴心抗压强度,fcu的单位为Psi,1000Psi=6.89MPa,一般情况下:根据现有强度计算公式,计算GFRP套管内的混凝土截面的轴压强度:f'cc为GFRP管的轴心抗压强度,f'co为混凝土的轴心抗压强度,由公式可以看出GFRP管的轴心抗压强度受GFRP管的对混凝土的约束应力的大小和核心受压混凝土的轴心抗压强度影响。GFRP管混凝土柱的轴压承载力计算公式为:N=f'ccA(式15)式⒂中f'cc为GFRP管的轴心抗压强度,A为管内混凝土截面面积。把相关数据代入公式中对比实验所测数据与理论数值的差异见图9。分析结果和实验结果如图9所示。可以看出,当计算GFRP的轴向抗压强度时,计算结果与实验结果的比值在0.74~1.04(标准偏差0.093)的范围内。当考虑GFRP的轴向抗压强度时,其在0.81~1.15(标准偏差0.106)的范围内。一般而言,后者的计算极限载荷与实验结果相比较,与前者相比更好。因此,建议在进行极限荷载的理论计算时,应考虑GFRP管的轴向抗压强度,特别是对于大厚度GFRP约束。

4结论

本文通过将掺加膨胀剂的混凝土灌入厚度为5mm和8mm的GFRP管中,分析膨胀剂对GFRP柱力学性能的影响,以及GFRP管厚度对结构的力学性能的影响,并通过理论公式分析GFRP管结构的受力情况,以及轴压破坏所得到的应力应变曲线,通过理论和实际数据相结合再次验证了FRP管的轴压力学公式,并得出以下结论:⑴膨胀剂替代率为12%,可达到C40和C50混凝土的目标抗压强度和最大膨胀率。⑵GFRP约束混凝土柱的破坏模式是脆性破坏,所有柱试样都有GFRP纤维断裂。⑶GFRP约束膨胀混凝土试件比GFRP约束的未掺膨胀混凝土试件具有更高的承载能力。⑷GFRP管的厚度对试件的应变有正向影响。混凝土强度对GFRP约束混凝土柱轴压强度的影响不明显。⑸理论分析与实验结果吻合良好。这表明在实际计算中,应特别考虑GFRP管的轴向抗压强度。

【参考文献】

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[22]鲁国昌.FRP管约束混凝土轴压性能研究[D].清华大学,2005.

作者:李岱韩 姜海波 曲炎 陈颖 曹旗 单位:广东工业大学

膨胀剂与膨胀混凝土杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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