纖維纏繞角度對FRP管約束混凝土組合柱力學性能影響

周 樂, 曾海楠, 滿孝朋

(沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

在民用基礎設施中,使用纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer,FRP)對受損的混凝土組合柱進行修復、翻新和加固已經越來越廣泛。FRP是由特制的模具將連續纖維,如玻璃纖維(GFRP)、芳綸纖維(AFRP)及碳纖維(CFRP)等擠壓、拉拔而成。FRP管約束混凝土組合柱是由FRP管和核心混凝土構成,其截面形式如圖1所示,FRP管和核心混凝土之間協同工作使組合柱表現出良好的力學性能。目前,國內外學者對單向纏繞角度的FRP管約束混凝土組合柱的試驗研究[1-2]較多。

圖1 組合柱截面形式

當柱子只承受軸向載荷時,纖維應沿環向纏繞,以限制混凝土的膨脹。而在現實生活中,多數柱子可能承受偏壓載荷,尤其對于梁-柱有彎矩處的修復加固,交替纖維纏繞更有利。纖維取向是FRP管約束混凝土組合柱結構設計中的一個重要變量,混凝土組合柱的力學性能可以通過FRP沿纖維最佳方向排列來實現性能最大化。章雪峰等[3]為了解FRP約束素混凝土中長柱在低周期反復載荷作用下的抗震性能,采用60°、90°纖維纏繞角度(纖維纏繞方向與Y軸方向的夾角)進行約束,得出60°纖維纏繞角度組合柱抗震性能優于90°纖維纏繞角度組合柱的結論。

目前研究主要集中于FRP環向纏繞(±90°或接近±90°)的情況,對傾斜纖維纏繞角的FRP約束混凝土的研究較少。為此,本文以不同纖維纏繞角度下的FRP管約束混凝土組合柱為對象,探討軸壓狀態混凝土組合柱力學性能,對比分析2種纏繞方式對承載力、延性、抗壓強度的影響。同時基于已有試驗數據,得到強度計算公式,推動纖維纏繞角度對FRP管約束混凝土組合柱力學性能的研究。

1 FRP管纏繞方式對組合柱承載力、延性和強度的影響

現有FRP管纖維纏繞方式分為2種:第1種是單向纖維纏繞,例如沿0°、30°、45°、60°和90°纏繞角度排列的FRP管;第2種是交替纖維纏繞,一般使用2種及以上單向纏繞角度進行間隔纏繞。

1.1 單向纖維纏繞

單向纖維纏繞下,眾多學者采用接近環向纏繞角度為主,其他單向纏繞角度為輔的方式進行對比試驗[4-7]。將文獻[5]試驗數據繪制成表1,選取普通混凝土為研究對象,分析單向纏繞角度對承載力和延性的影響。由表1可知:單向纖維纏繞角度為90°組合柱的承載力比纖維纏繞角度為45°組合柱的承載力增大了0.96倍;極限環向應變增大了1.00倍,說明在無側向約束混凝土的抗壓強度fco和壁厚相同的情況下,FRP管約束混凝土組合柱的承載力和極限環向應變隨著單向纖維纏繞角度增大而增大?？赡茉蚴请S著載荷的增大,組合柱中部發生鼓曲,當纖維角度為90°時,FRP管約束其橫向變形,不易開裂損壞。

表1 單向纖維纏繞的組合柱性能分析

1.2 交替纖維纏繞

交替纖維纏繞下,與所采取最佳環向纏繞角度規律有所不同,部分學者將環向纏繞角度與其他斜向纖維角度組合進行力學性能研究[8-10]。將文獻[9]試驗數據繪制成表2,選取普通混凝土為研究對象,分析交替纖維纏繞角度對無側向約束混凝土的抗壓強度fco、有側向約束混凝土的抗壓強度fcc、承載力和延性的影響,由表2可知:采用纖維纏繞角度90°與60°交替纏繞的組合柱承載力比纖維纏繞角度90°與30°交替纏繞的組合柱承載力增加了0.81倍,極限環向應變增大了0.32倍,有側向約束混凝土的抗壓強度fcc增大了0.96倍。說明隨著交替纖維纏繞角度增大,混凝土抗壓強度、承載力,延性增大?？赡茉?當采用交替纏繞角度時,即環向和斜向纖維角度交替纏繞,斜向纖維可以防止90°環向纖維的橫向分離,進而增大強度、承載力和延性等性能。

表2 交替纖維纏繞的組合柱性能分析

通過對FRP管組合柱的分析,得出最優纖維纏繞角度對混凝土的承載力、延性和抗壓強度都有明顯改善。因此,在實際工程中,可通過改變纏繞方式對混凝土加強約束﹐為探索更高性能混凝土組合柱的修復和加固提供參考。

2 纖維纏繞角度與抗壓強度的關系

2.1 強度比

混凝土的抗壓強度是混凝土承載力、耐久性、穩定性的重要指標。本文采用文獻[11]試驗數據,取每組抗壓強度的平均值,將纖維纏繞角度為45°、60°和80°FRP管約束混凝土組合柱抗壓強度的影響值整理成表3,引入強度比fcc/fco的概念。由表3可知,當壁厚為4 mm時,強度比為1.0～2.8,纖維纏繞角度為80°的組合柱的fcc最大,相比fco增大了1.75倍;當壁厚為6 mm時,強度比為1.2～4.1,采用纖維纏繞角度80°組合柱的fcc最大,相比fco增大了3.10倍,說明抗壓強度隨著纖維纏繞角度的增大而增大,隨著壁厚增大而增大。

表3 組合柱的強度比

2.2 4 mm壁厚FRP管纖維纏繞角度與抗壓強度的關系

為了更加準確計算不同壁厚下纖維纏繞角度對抗壓強度的影響,將4 mm壁厚FRP管不同纖維纏繞角度與抗壓強度的試驗數據進行回歸分析,結果見圖2,得到4 mm的FRP管約束混凝土組合柱抗壓強度和纖維纏繞角度的函數關系式為

圖2 4 mm壁厚FRP管纏繞角度與抗壓強度關系

fcc1=fco(-0.003 2θ2+0.451 8θ-12.831)。

(1)

式中:fcc1為4 mm壁厚組合柱的抗壓強度;θ為不同纖維纏繞角度。

由圖2可知,線性相關系數R>0.8,纖維纏繞角度和抗壓強度關系為強相關,纖維纏繞角度從45°～60°時曲線段斜率逐漸變大,組合柱的抗壓強度急劇增加;纖維纏繞角度達到60°后,曲線趨于平緩,纏繞角度為80°時獲得最有效的約束效應,抗壓強度最大。

2.3 6 mm壁厚FRP管纖維纏繞角度與抗壓強度的關系

將6 mm壁厚FRP管不同纖維纏繞角度與抗壓強度的試驗數據進行回歸分析,結果見圖3,得到6 mm的FRP管約束混凝土組合柱抗壓強度和纏繞角度的函數關系式為

圖3 6 mm壁厚FRP管纏繞角度與抗壓強度關系

fcc2=fco(-0.003 7θ2+0.548 9θ-15.909)。

(2)

式中,fcc2為6 mm壁厚組合柱的抗壓強度。

由圖3可知,線性相關系數R>0.8,纏繞角度和抗壓強度關系為強相關,與4 mm壁厚的組合柱相比,纖維纏繞角度從45°～60°時曲線斜率接近;纖維纏繞角度60°后,曲線仍有上升趨勢,纏繞角度為80°時抗壓強度達到最大值。

將圖2、圖3對比可知,隨著FRP管壁厚的增大,約束柱約束效應和延性增大。相比纖維纏繞角度為60°和80°組合柱,纖維纏繞角度為45°的組合柱強度提升較小。

3 FRP管約束混凝土組合柱強度計算公式

3.1 約束比

在軸向加載過程中,混凝土的交界面和FRP管產生了徑向應力,使得FRP管對混凝土產生有效約束力的同時,抗壓強度也有效增大。Lam等[12]將FRP管約束混凝土組合柱分為非充分約束和充分約束,用約束比進一步解釋約束力的大小,把約束比定義為fl/fco,其中fl為FRP管的實際約束應力,如果約束比fl/fco小于0.07,FRP纏繞的圓柱體視為約束不足的圓柱體。FRP管的實際約束應力為

(3)

式中:t為FRP管的壁厚;σfr、εfr為FRP管環向的應力和斷裂應變;d為核心混凝土的直徑;Efrp為FRP管的環向彈性模量。

按照式(3)計算出文獻[11]的約束應力,由此計算出約束比fl/fco,結果見表4。由表4可知,4 mm壁厚組合柱約束比為0.2～0.9,6 mm壁厚組合柱約束比為0.3～1.4,不同壁厚下6組FRP管圓柱體的約束比都大于0.07,均為充分約束圓柱體。

表4 組合柱的約束比

3.2 強度

在FRP管加固混凝土組合柱的結構設計中,設計的關鍵是找到約束模型,即組合柱的強度計算公式。對于圓柱體,強度計算公式為

(4)

式中,m、k為混凝土受約束后強度提高系數。

將壁厚為4 mm的組合柱強度試驗值代入已有的強度計算公式進行誤差分析,整理的結果見表5。從表5中可以看出,文獻[13-15]的強度計算公式誤差較大,文獻[16]公式對60°、80°纖維纏繞角度的強度計算誤差較小,但是對45°纖維纏繞角度的強度計算誤差較大?？梢?現有的約束公式與文獻中的45°纖維纏繞角度FRP管約束混凝土組合柱試驗數據相關性較弱?？赡茉?一方面,采用45°纖維纏繞角度的FRP管約束混凝土組合柱更易失去約束效應,發生斷裂;另一方面,目前關于FRP管約束混凝土組合柱的試驗數據仍然有限,大多針對環向纖維纏繞角度進行研究分析。

表5 現有強度計算公式誤差分析

通過對文獻[11]的試驗數據進行回歸分析,結果見圖4,將混凝土受約束后強度提高系數m、k進行了修正,得到強度比計算公式為

圖4 強度提高系數擬合結果

(5)

由圖4可知,線性相關系數R>0.8,強度比和約束比關系為強相關,隨著約束比增大,強度比也增大,且與約束比基本呈線性增加的關系。

選擇包含單向纖維纏繞和交替纖維纏繞的8組試驗結果,與本文回歸得到的強度計算公式計算值進行比較,整理后的結果見表6。從表6可以看出,對于文獻[9,17-18]的試驗數據,該公式也能很好地吻合。本文強度計算公式較好地估計了組合柱的強度值,為試驗結果提供了很好的預測。

表6 強度計算結果與試驗結果對比

4 結 論

1) FRP管約束混凝土組合柱隨著纖維纏繞角度的增大,承載力、延性和抗壓強度增大。

2) 通過對不同纖維纏繞角度與抗壓強度的試驗數據進行回歸分析,推導出了4 mm和6 mm壁厚纖維纏繞角度與抗壓強度的函數關系,表明隨著FRP管壁厚的增大,組合柱的約束效應和延性增大。

3) 現有FRP管約束混凝土組合柱的強度計算公式高估了45°纖維纏繞角度強度值,根據已有試驗數據,本文通過回歸分析得到強度計算公式與試驗結果對比誤差較小。