BFRP筋轴心受压性能研究及破坏模式分析

吕增奎 李 峰 佘殷鹏

(1.中国人民解放军理工大学，江苏 南京 210007； 2.河海大学，江苏 南京 210000)

BFRP筋轴心受压性能研究及破坏模式分析

吕增奎1李 峰1佘殷鹏2

(1.中国人民解放军理工大学，江苏 南京 210007； 2.河海大学，江苏 南京 210000)

对BFRP筋的轴压性能进行了试验研究，测试了BFRP筋抗压强度、弹性模量、极限应变等主要力学性能，并对BFRP筋的轴心受压过程和破坏模式进行了分析，为工程应用提供了参考。

BFRP筋，轴心受压，端部约束，破坏模式

0 引言

目前，钢筋混凝土结构已经大量应用于土木工程建设中，但由于其结构自重大、钢筋耐腐蚀性能低等缺陷，严重影响了结构的安全性和使用寿命[1]。自20世纪80年代以来，国外研究人员开始利用纤维增强复合材料(FRP)筋来替代钢筋加固混凝土的新型结构，有效弥补了此类不足[2]。FRP是一种聚合物基复合材料，具有轻质、高强及耐腐蚀等优良性能[3]。在混凝土柱结构中，FRP纵筋主要承受轴向压应力，但当前对FRP筋受力性能的研究主要集中在拉伸性能方面，而对FRP筋受压性能的研究略显不足[4，5]，为结构的设计和应用带来了不便。

本文以拉挤成型BFRP筋为研究对象，通过设计端部约束装置，模拟了受压BFRP筋的实际工作状态，开展了BFRP筋轴心受压试验，得到了其轴压性能和破坏模式。所得成果对实际工程结构的设计和应用具有一定参考意义。

1 试验

1.1 试件设计

试验采用的BFRP筋内径为8 mm，肋间距(相邻两个横肋中

心距)为1倍直径，肋深度(筋材在肋变形处直径与相邻变形中间点直径的一半)为直径的6%，见图1。BFRP轴压试件尺寸及基本参数见表1，试件数量为7，编号依次为B1～B7。

表1 试件尺寸及基本参数

1.2 夹具设计

经试验发现，无约束BFRP筋在压缩过程中，端部纤维与树脂发生脱粘，纤维丝呈放射状展开，破坏形式与实际结构中BFRP筋的破坏形式不符，如图2所示。

为了模拟出BFRP混凝土纵筋的实际工作状态，试验设计了端部约束装置并固定在试件两端。端部约束装置尺寸及实物如图3所示。

1.3 试验方法

试验加载设备选用美特斯工业系统有限公司生产的CDT1504微机控制电子压力试验机，荷载与位移数据由试验机传感器自动采集。试验过程中的应力—应变数据通过DH5902动态应变测试系统采集，应变片在试件中部两侧对称粘贴，在此之前需对粘贴位置进行打磨。试件破坏过程通过高速摄像机记录，以便观察试件的破坏过程。轴压试验参照GB/T 1448—2005纤维增强塑料压缩性能试验方法和GB/T 1446—2005纤维增强塑料性能试验方法总则进行。考虑到加载速率对其破坏模式和抗压强度的影响，B1～B5试件以2 mm/s的标准加载速度加载，B6,B7试件以1 mm/s的加载速度进行加载。

2 结果与分析

2.1 试验结果

为了得出BFRP筋抗压性能，需要根据轴压试验所得数据对BFRP筋的抗压强度和轴压弹性模量进行计算。

BFRP筋抗压强度：

(1)

其中,σc为抗压强度；p为极限荷载；s为截面面积；D为内径。

轴压弹性模量：

(2)

其中，ε″=0.003，ε′=0.001，σ″与σ′为ε″与ε′ 对应的轴压应力。BFRP筋轴压性能参数见表2。

表2 实测BFRP筋轴压性能参数

试验结果表明，BFRP筋的抗压强度处于430 MPa～560 MPa之间，高于《混凝土设计规范》中普通HRB400钢筋的抗压强度标准值(360 MPa)，满足了结构的使用要求。BFRP筋极限应变均超过9 000 με，远大于混凝土破坏时的极限压应变3 300 με，能够使BFRP筋在BFRP筋混凝土承压结构中混凝土部分压碎前保持完好。

2.2 荷载—位移曲线分析

BFRP筋荷载—位移曲线如图4所示。BFRP筋在加载至破坏的过程中，B1～B7的荷载—位移曲线均呈现线性关系，无屈服阶段，表明BFRP筋为良好的线弹性材料。不同轴压速率对B1～B5和B6,B7两种不同轴压速率下试件的荷载—位移曲线无明显影响。

2.3 应力—应变曲线分析

BFRP筋的轴压应力—应变关系如图5所示。由图5可以看出达到某一应变前，应力—应变基本符合线性规律。在此阶段之后，应变值突然减小，而此时的应力值尚未达到极限应力。随着应力的增加，应变值呈减小趋势。这是由于应变片贴在两肋间凸起部位，加载初期，小应力下纤维与树脂粘结良好，两者的应变协调，贴片处的应变与筋材整体应变保持一致。随着荷载的不断增加，筋材的纵向收缩和横向膨胀导致两凹肋间的凸起部位有向外鼓曲的趋势，由于树脂的抗弯、抗剪性能较差，当荷载到达某一值后，凸起处的树脂被压碎从而丧失对纤维的约束，纤维顺势向外鼓曲产生拉应变，从而导致压应变的减小。由于树脂是脆性材料，所以应变的减小较为突然，而此时还未达到筋材的抗压强度。随着荷载的继续增加，部分试件迅速到达破坏，部分试件的贴片处于轴向压缩和横向弯曲的共同作用下，应变呈不规则变化直至试件破坏。因此应变片测得的极限应变值小于BFRP筋实际的极限应变值。

2.4 破坏模式分析

B1～B5试件以2 mm/s的加载速率加载，发生劈裂破坏。由高速摄像机记录的破坏过程可以看出在加载初期，筋材并无明显变化。随着荷载不断增加，由于试件的横向变形增大，树脂与纤维间的横向拉应力增加，首先与粘结较差的薄弱点出现树脂与纤维的分离，纤维略向外屈曲，试件纵向出现微裂缝并伴随清脆连续的劈裂声。随着荷载的继续增加，裂缝不断扩展，当达到极限荷载时，试件出现多处劈裂，荷载呈直线下降。B6，B7试件以1 mm/s的加载速率加载，发生剪切破坏。破坏前的现象与B1～B5试件类似，当达到极限荷载时，伴随巨大响声，试件剪切破坏，破坏面与水平方向呈30°～50°。由于加载速率较小，试件破坏前的过程较为平缓，破坏发生时更加突然。

观察BFRP筋试件破坏模式发现，B1～B5的破坏形式为劈裂破坏，B6，B7的破坏形式为剪切破坏。由于试件的长细比较小，所有试件均未发生弯折和弯曲破坏，破坏形式均属于强度破坏，所得到的结果能够较真实的反映BFRP筋的轴压性能。

3 结语

1)BFRP筋的抗压强度处于430 MPa～560 MPa之间，且极限应变均超过9 000 με，说明BFRP筋能够替代传统钢筋用于受压混凝土柱中。2)BFRP筋的应力—应变呈线性，破坏突然，为典型的脆性破坏。在对BFRP筋混凝土柱进行设计时，应充分考虑BFRP筋的极限抗压强度。3)轴压速率能够影响BFRP筋破坏模式，在不同加载速率下分别表现为劈裂破坏和剪切破坏，因此在对BFRP筋混凝土柱进行设计时需考虑服役环境对BFRP筋破坏模式的影响。

[1] 王茂龙，朱浮声，金 延.纤维塑料筋(FRP筋)在混凝土结构中的应用[J].混凝土，2005(11)：17-23.

[2] 李 义，费传军.纤维增强复合材料(FRP)筋在土木工程中的应用[J].玻璃纤维，2005(3)：14-16.

[3] 吴松岩，宋岩升，王桂林，等.FRP筋在受压构件中的力学性能研究进展与前景分析[A].第十二届沈阳科学学术年会论文集[C].2015.

[4] 黄亚新，苗大胜，程 曦，等.不同种类拉挤FRP筋材压缩强度研究[J].工程塑料应用，2012，40(8)：81-85.

[5] 徐新生，纪 涛，顾 勇.FRP筋力学性能指标及试验方法研究[J].建筑结构，2008，38(11)：114-116.

Research on axial compression performance of BFRP bars and analysis of its damage model

Lv Zengkui1Li Feng1She Yinpeng2

(1.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.HohaiUniversity,Nanjing210000,China)

The paper has the experimental research on the axial pressure performance of BFRP bars, tests the main dynamic performance of the compressive strength, elastic modulus, and limiting strain of BFRP bars, and analyzes the axial pressure process and damage model for BFRP bars, so as to provide some reference for the engineering application.

BFRP bar, axial compression, end restraint, damage model

1009-6825(2017)21-0033-03

2017-05-18

吕增奎(1992- )，男，在读硕士； 李 峰(1979- )，男，副教授； 佘殷鹏(1993- )，男，在读硕士

TU317

A