负载作用下BFRP约束混凝土长方柱轴压试验研究

李培山, 朱大勇, 周 安, 卫志成, 秦亚斌

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009)

负载作用下BFRP约束混凝土长方柱轴压试验研究

李培山1,2, 朱大勇1,2, 周 安1,2, 卫志成1, 秦亚斌1,2

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009)

文章通过11个不同负载水平作用下玄武岩纤维增强复合塑料(basalt fiber reinforced plastics,BFRP)约束混凝土长方柱的轴压试验,研究了负载水平、BFRP约束层数对混凝土长方柱轴压性能的影响,并用ANSYS软件进行有限元分析。试验表明:通过BFRP的约束能有效提高混凝土长方柱的极限承载力与延性,约束层数越多,提高幅度越大;负载水平的高低影响BFRP对混凝土长方柱的约束效果,在相同情况下,负载水平越高,BFRP的约束效果越差;BFRP约束层数的增加放大了负载作用对混凝土长方柱的影响水平;ANSYS能很好地模拟负载作用下BFRP约束混凝土长方柱轴压性能。

玄武岩纤维增强复合塑料(BFRP);负载水平;混凝土长方柱;轴压;约束

0 引 言

在混凝土表面粘贴纤维增强复合塑料(fiber reinforced plastic,FRP)能有效地限制混凝土的侧向膨胀,这极大地提高了混凝土的抗压性能[1-3],目前外贴FRP布已经成为建筑结构领域较常用的加固方式。玄武岩纤维增强复合塑料(basalt fiber reinforced plastics,BFRP)是一种新型无机环保绿色高性能复合材料,是我国重点发展的纤维材料之一,相比于其他FRP具有稳定性强、抗腐蚀、价格低廉、电绝缘性良好等性能[4],但FRP约束混凝土抗压性能的研究以碳纤维增强复合塑料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)居多,BFRP布的研究较少。

在实际建筑结构加固作业中,待加固构件往往在不卸载或者不完全卸载情况下进行粘贴FRP加固,即待加固构件存在一定的初始应力,加固后FRP布存在一定的拉应变滞后,这对加固构件的抗压性能的影响是不能忽略的[5]。而多数混凝土柱的轴压试验是在无初始荷载的条件下针对新浇筑混凝土进行的,这虽然简化了试验过程,但是不能模拟待加固构件在加固后二次受力的特点,因此,进行负载作用下FRP布约束混凝土轴压性能的研究具有一定的现实意义。在实际加固中混凝土柱以矩形截面或者方形截面柱居多,而多数研究以圆形截面柱居多,方形截面柱较少,且短柱居多,长柱较少,鉴于这种情况下,本试验研究对象选定混凝土长方柱。

1 试验内容

1.1 试验材料

混凝土试件的设计强度为C20,混凝土长方柱的尺寸为100 mm×100 mm×500 mm。使用P.O 42.5普通硅酸盐水泥,因考虑到试件尺寸,最大碎石粒径为20 mm。

经过多次适配,配制出强度为C20的混凝土,其中各材料配合比w水∶w水泥∶w砂∶w石子=175∶343∶620∶1 262,脱模后放入标准养护室养护28 d,实测28 d龄期立方体混凝土抗压强度均值为21.7 MPa。

试验使用营口建科玄武岩纤维研究所生产的玄武岩纤维单向布,实测厚度均值为0.107 mm,抗拉强度均值为1 246 MPa,弹性模量均值为49.6 GPa。

1.2 试件设计

制作了11个混凝土长方柱试件,并对试件进行倒角处理,倒角半径为20 mm。负载水平定义为预加荷载与未约束BFRP试件的破坏荷载的比值,试验分为6组共11个试件,分别为C0-0、C1-0、C2-0、C1-3、C2-3、C1-5、C2-5、C1-7、C2-7、C1-9、C2-9。试件编号均按照CX-Y格式进行编写,X代表BFRP约束混凝土试件的层数,Y代表负载水平，负载水平0、3、5、7、9分别代表0、0.3、0.5、0.7、0.9这5个等级,BFRP约束层数分别为1层和2层。

1.3 试验装置与测点布置

试验在自行设计的加载装置下进行,如图1所示。

图1 加载装置示意图

在混凝土柱4个侧面的中部粘贴应变片,并用TDS-303数据采集仪观测1、2处的轴向压应变和3、4处的横向拉应变以及试件的轴向荷载,测点布置如图2所示。

图2 测点布置示意图

1.4 试验步骤

试验按照文献[6-7]的相关规定进行,具体操作过程如下:

(1) 对混凝土表面进行处理,包括打磨倒角、试件表面修复等,并在试件的中部粘贴应变片,因为应变片电阻丝相对较脆弱,在粘贴的过程中动作要轻,粘贴完毕后用万能表进行检测。

(2) 将混凝土试件放至试验装置下,并合理调整试件的位置,确保试件能够轴心受压,用液压千斤顶分别对试件施加相应的荷载(第1次加载),并保持荷载24 h,一旦发现荷载降低,应立刻补压到相应荷载水平。

(3) 在保持荷载不变的前提下,在试件表面粘贴BFRP,粘贴方式为人工横向粘贴,搭接长度为10 mm,注意在粘贴的过程中不能损坏应变片,静置72 h至黏接剂初凝,在此期间一旦发现荷载降低,应立刻补压到相应荷载水平。

(4) 用液压式千斤顶对混凝土试件继续进行加载(第2次加载),每级加载5 kN,直至试件轴压至破坏。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

试验观察到因为BFRP被拉断而导致试件破坏丧失承载力。BFRP约束试件在加载初期外观上与第1次加载一样,这说明BFRP还没有发挥加固作用,只有混凝土在承受轴向压力;当轴向压力增加到破坏荷载的70%左右,能听到BFRP断裂发出的劈啪响声,并能看到BFRP上的胶面出现裂痕,说明BFRP已经开始承受轴向压力;随着轴向压力继续增大,试件开始向外膨胀,并且BFRP开始出现裂缝并逐渐向周围延伸,突然一声巨响,试件被彻底压坏,有混凝土碎块和粉末溅出。

剥开破坏处的BFRP,发现BFRP与混凝土彻底分离,拐角区域的混凝土被压成粉碎,明显向外鼓出,且拐角处玄武岩纤维布破裂,破坏形态如图3所示。

图3 BFRP约束试件的破坏形态

2.2 试验数据

试验测得数据以及对比见表1所列,11个试件相对应的应力-应变关系曲线如图4所示。

表1 试验主要测得数据以及对比

图4 11个试件的应力-应变关系曲线

2.3 结果分析

通过试验现象以及图3,发现BFRP约束试件的轴压破坏位置存在一定的随机性。因为混凝土属于非弹性脆性材料,在负载作用下,一旦在混凝土表面出现裂缝,而裂缝出现的部位存在一定的随机性,后粘贴FRP因裂缝部位的应力集中而开始受力[8],BFRP开始承受拉力至破坏,因此负载作用下BFRP约束混凝土长方柱的轴压破坏部位存在一定的随机性。

通过BFRP的约束能有效提高混凝土长方柱的极限承载力与延性,且BFRP粘贴层数越多,提高幅度越大。从表1可见,试件C1-0和C2-0的极限承载力分别为试件C0-0的2.69倍和3.88倍,峰值压应变分别为试件C0-0的11.01倍和21.42倍。

负载水平的高低影响BFRP约束混凝土长方柱的极限承载力,在相同情况下,负载水平越高,BFRP约束试件的极限承载力越小。从表1和图4中可知,相同条件下,低负载水平(0.3)对BFRP约束试件极限承载力的影响较小,且其应力-应变关系曲线与未负载试件的应力-应变关系曲线较接近,但是高负载水平(大于0.5)对BFRP约束试件极限承载力的影响较大,且负载水平越高影响程度越大。因为较高的负载水平对混凝土造成的损伤削弱了混凝土自身的承载力[9-10],所以在一定程度上降低了BFRP对混凝土长方柱的约束效果。

负载水平从0～0.9,BFRP约束试件极限承载力的降幅随约束层数的增大而增大。C1-9比C1-0的极限承载力降低了37.2%,C2-9比C2-0的极限承载力降低了41.1%,即BFRP约束层数的增大放大了负载对混凝土长方柱的影响水平。

3 有限元分析

3.1 有限元模型的选取

有限元分析选用SOLID65单元模拟混凝土材料,这是专门为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。该单元为8节点6面体单元,可以模拟不带钢筋的三维实体混凝土模型,能综合考虑混凝土塑性与徐变引起的材料非线性问题、大位移引起的几何非线性问题、混凝土开裂问题、压碎引起的非线性问题等多种混凝土的材料特性[11]。玄武岩纤维布单元采用SHELL41单元模拟,SHELL41单元为空间4节点的膜应力单元,不具备抗压、抗弯的力学性能,但是可以通过参数设置单元仅承受拉应力,这与试验中玄武岩纤维单向布的受力情况一致[12]。

混凝土长方柱的单向轴压应力-应变关系依据文献[13]进行设定,破坏准则采用Willam-Warnke 5参数模型,用以检查混凝土长方柱的形变与破坏。BFRP为线弹性材料,其应力-应变关系为曲线,对BFRP约束试件,一旦BFRP的某一处达到其极限拉应力,便认定受约束试件破坏。

利用ANSYS的“单元生死”方法来模拟负载下BFRP约束混凝土长方柱。将程序设定为2步分析:① 将BFRP设定为“死”,即不考虑其对混凝土长方柱的约束,然后对混凝土长方柱顶端施加轴向压力至负载水平,以此来模拟对混凝土长方柱进行负载;② 将BFRP设定为“生”,加入“生死单元”后,不需要重新划分单元网格,能大大简化问题,方便计算。

3.2 边界条件

在试验中发现加载过程中BFRP与混凝土不会分开,因此认定两者不会出现相对滑移。利用长方柱的对称性,取1/4柱体,在混凝土长方柱底端限制各个方向的位移和转动,在长方柱顶端施加荷载,有限元分析模型如图5所示。

图5 有限元模型

对混凝土长方柱进行分级加载,计算中若出现以下2种情况之一,则认为达到破坏极限状态,计算终止:① BFRP达到极限抗拉强度而拉断;② 在计算过程中,当迭代时计算不收敛,则试件产生很大的塑性变形而达到破坏状态。试件C1-7的应力云图如图6所示。

图6 试件C1-7的应力云图

3.3 计算与试验结果对比

峰值压应力的试验值与计算值对比见表2所列,两者偏差在-6.17%～15.07%范围以内,说明只要选择合适的分析模型就能很好地模拟负载作用下BFRP约束混凝土长方柱的轴压性能。

表2 峰值压应力试验值与计算值对比

偏差出现的原因如下:混凝土属于非弹性脆性材料,抗压强度存在一定的离散性;试验中玄武岩纤维布的粘贴效果有差异;ANSYS模拟将BFRP与混凝土之间设定为不滑移等。

4 结 论

(1) 通过BFRP的约束能有效地提高混凝土长方柱的极限承载力与延性,BFRP约束层数越多,提高幅度越大。

(2) 负载水平的高低影响BFRP约束混凝土长方柱的极限承载力,在相同条件下,负载水平越高,BFRP约束混凝土长方柱的极限承载力越低。

(3) 当负载水平为0～0.9,1层BFRP约束试件的极限承载力的降幅小于2层BFRP约束试件极限承载力的降幅。因为先给试件预加荷载后加约束,BFRP属于被动约束,所以BFRP存在一定程度拉应变滞后,而约束层数的增大,将这种效应放大。

(4) ANSYS能较好地模拟负载作用下BFRP约束混凝土长方柱轴压性能,且计算值与试验值能较好地吻合。

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(责任编辑 张淑艳)

Axial compression performance test of BFRP-confined concrete rectangular columns under loading

LI Peishan1,2, ZHU Dayong1,2, ZHOU An1,2, WEI Zhicheng1, QIN Yabin1,2

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

Through the axial compression performance test of basalt fiber reinforced plastics(BFRP)-confined concrete rectangular columns under eleven different load levels, the effect of the load level and BFRP constraint layer number on the axial compression performance of concrete rectangular columns was researched and the simulation was carried out by using ANSYS finite element method. The experimental results show that the ultimate bearing capacity and ductility of the concrete rectangular columns can be effectively improved by BFRP constraint. The more the constraint layer, the higher the improvement rate. The load level affects the constraint effect of BFRP on the concrete rectangular columns. In the same situation, the higher the load level, the poorer the constraint effect of BFRP. The increase of BFRP constraint layer magnifies the effect of load on the concrete rectangular columns. The axial compression performance of the BFRP-confined concrete rectangular columns under loading can be well simulated by ANSYS.

basalt fiber reinforced plastics(BFRP); load level; concrete rectangular column; axial compression; constraint

2016-03-31；

2016-05-29

安徽省自然科学基金资助项目(1408085MKL14)

李培山(1986-),男,山东寿光人,合肥工业大学助教; 朱大勇(1965-),男,安徽枞阳人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师; 周 安(1964-),男,安徽绩溪人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.03.017

TU375.3

A

1003-5060(2017)03-0379-05