纤维缠绕角度对FRP管约束混凝土组合柱力学性能影响

周 乐, 曾海楠, 满孝朋

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

在民用基础设施中,使用纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer,FRP)对受损的混凝土组合柱进行修复、翻新和加固已经越来越广泛。FRP是由特制的模具将连续纤维,如玻璃纤维(GFRP)、芳纶纤维(AFRP)及碳纤维(CFRP)等挤压、拉拔而成。FRP管约束混凝土组合柱是由FRP管和核心混凝土构成,其截面形式如图1所示,FRP管和核心混凝土之间协同工作使组合柱表现出良好的力学性能。目前,国内外学者对单向缠绕角度的FRP管约束混凝土组合柱的试验研究[1-2]较多。

图1 组合柱截面形式

当柱子只承受轴向载荷时,纤维应沿环向缠绕,以限制混凝土的膨胀。而在现实生活中,多数柱子可能承受偏压载荷,尤其对于梁-柱有弯矩处的修复加固,交替纤维缠绕更有利。纤维取向是FRP管约束混凝土组合柱结构设计中的一个重要变量,混凝土组合柱的力学性能可以通过FRP沿纤维最佳方向排列来实现性能最大化。章雪峰等[3]为了解FRP约束素混凝土中长柱在低周期反复载荷作用下的抗震性能,采用60°、90°纤维缠绕角度(纤维缠绕方向与Y轴方向的夹角)进行约束,得出60°纤维缠绕角度组合柱抗震性能优于90°纤维缠绕角度组合柱的结论。

目前研究主要集中于FRP环向缠绕(±90°或接近±90°)的情况,对倾斜纤维缠绕角的FRP约束混凝土的研究较少。为此,本文以不同纤维缠绕角度下的FRP管约束混凝土组合柱为对象,探讨轴压状态混凝土组合柱力学性能,对比分析2种缠绕方式对承载力、延性、抗压强度的影响。同时基于已有试验数据,得到强度计算公式,推动纤维缠绕角度对FRP管约束混凝土组合柱力学性能的研究。

1 FRP管缠绕方式对组合柱承载力、延性和强度的影响

现有FRP管纤维缠绕方式分为2种:第1种是单向纤维缠绕,例如沿0°、30°、45°、60°和90°缠绕角度排列的FRP管;第2种是交替纤维缠绕,一般使用2种及以上单向缠绕角度进行间隔缠绕。

1.1 单向纤维缠绕

单向纤维缠绕下,众多学者采用接近环向缠绕角度为主,其他单向缠绕角度为辅的方式进行对比试验[4-7]。将文献[5]试验数据绘制成表1,选取普通混凝土为研究对象,分析单向缠绕角度对承载力和延性的影响。由表1可知:单向纤维缠绕角度为90°组合柱的承载力比纤维缠绕角度为45°组合柱的承载力增大了0.96倍;极限环向应变增大了1.00倍,说明在无侧向约束混凝土的抗压强度fco和壁厚相同的情况下,FRP管约束混凝土组合柱的承载力和极限环向应变随着单向纤维缠绕角度增大而增大。可能原因是随着载荷的增大,组合柱中部发生鼓曲,当纤维角度为90°时,FRP管约束其横向变形,不易开裂损坏。

表1 单向纤维缠绕的组合柱性能分析

1.2 交替纤维缠绕

交替纤维缠绕下,与所采取最佳环向缠绕角度规律有所不同,部分学者将环向缠绕角度与其他斜向纤维角度组合进行力学性能研究[8-10]。将文献[9]试验数据绘制成表2,选取普通混凝土为研究对象,分析交替纤维缠绕角度对无侧向约束混凝土的抗压强度fco、有侧向约束混凝土的抗压强度fcc、承载力和延性的影响,由表2可知:采用纤维缠绕角度90°与60°交替缠绕的组合柱承载力比纤维缠绕角度90°与30°交替缠绕的组合柱承载力增加了0.81倍,极限环向应变增大了0.32倍,有侧向约束混凝土的抗压强度fcc增大了0.96倍。说明随着交替纤维缠绕角度增大,混凝土抗压强度、承载力,延性增大。可能原因:当采用交替缠绕角度时,即环向和斜向纤维角度交替缠绕,斜向纤维可以防止90°环向纤维的横向分离,进而增大强度、承载力和延性等性能。

表2 交替纤维缠绕的组合柱性能分析

通过对FRP管组合柱的分析,得出最优纤维缠绕角度对混凝土的承载力、延性和抗压强度都有明显改善。因此,在实际工程中,可通过改变缠绕方式对混凝土加强约束﹐为探索更高性能混凝土组合柱的修复和加固提供参考。

2 纤维缠绕角度与抗压强度的关系

2.1 强度比

混凝土的抗压强度是混凝土承载力、耐久性、稳定性的重要指标。本文采用文献[11]试验数据,取每组抗压强度的平均值,将纤维缠绕角度为45°、60°和80°FRP管约束混凝土组合柱抗压强度的影响值整理成表3,引入强度比fcc/fco的概念。由表3可知,当壁厚为4 mm时,强度比为1.0～2.8,纤维缠绕角度为80°的组合柱的fcc最大,相比fco增大了1.75倍;当壁厚为6 mm时,强度比为1.2～4.1,采用纤维缠绕角度80°组合柱的fcc最大,相比fco增大了3.10倍,说明抗压强度随着纤维缠绕角度的增大而增大,随着壁厚增大而增大。

表3 组合柱的强度比

2.2 4 mm壁厚FRP管纤维缠绕角度与抗压强度的关系

为了更加准确计算不同壁厚下纤维缠绕角度对抗压强度的影响,将4 mm壁厚FRP管不同纤维缠绕角度与抗压强度的试验数据进行回归分析,结果见图2,得到4 mm的FRP管约束混凝土组合柱抗压强度和纤维缠绕角度的函数关系式为

图2 4 mm壁厚FRP管缠绕角度与抗压强度关系

fcc1=fco(-0.003 2θ2+0.451 8θ-12.831)。

(1)

式中:fcc1为4 mm壁厚组合柱的抗压强度;θ为不同纤维缠绕角度。

由图2可知,线性相关系数R>0.8,纤维缠绕角度和抗压强度关系为强相关,纤维缠绕角度从45°～60°时曲线段斜率逐渐变大,组合柱的抗压强度急剧增加;纤维缠绕角度达到60°后,曲线趋于平缓,缠绕角度为80°时获得最有效的约束效应,抗压强度最大。

2.3 6 mm壁厚FRP管纤维缠绕角度与抗压强度的关系

将6 mm壁厚FRP管不同纤维缠绕角度与抗压强度的试验数据进行回归分析,结果见图3,得到6 mm的FRP管约束混凝土组合柱抗压强度和缠绕角度的函数关系式为

图3 6 mm壁厚FRP管缠绕角度与抗压强度关系

fcc2=fco(-0.003 7θ2+0.548 9θ-15.909)。

(2)

式中,fcc2为6 mm壁厚组合柱的抗压强度。

由图3可知,线性相关系数R>0.8,缠绕角度和抗压强度关系为强相关,与4 mm壁厚的组合柱相比,纤维缠绕角度从45°～60°时曲线斜率接近;纤维缠绕角度60°后,曲线仍有上升趋势,缠绕角度为80°时抗压强度达到最大值。

将图2、图3对比可知,随着FRP管壁厚的增大,约束柱约束效应和延性增大。相比纤维缠绕角度为60°和80°组合柱,纤维缠绕角度为45°的组合柱强度提升较小。

3 FRP管约束混凝土组合柱强度计算公式

3.1 约束比

在轴向加载过程中,混凝土的交界面和FRP管产生了径向应力,使得FRP管对混凝土产生有效约束力的同时,抗压强度也有效增大。Lam等[12]将FRP管约束混凝土组合柱分为非充分约束和充分约束,用约束比进一步解释约束力的大小,把约束比定义为fl/fco,其中fl为FRP管的实际约束应力,如果约束比fl/fco小于0.07,FRP缠绕的圆柱体视为约束不足的圆柱体。FRP管的实际约束应力为

(3)

式中:t为FRP管的壁厚;σfr、εfr为FRP管环向的应力和断裂应变;d为核心混凝土的直径;Efrp为FRP管的环向弹性模量。

按照式(3)计算出文献[11]的约束应力,由此计算出约束比fl/fco,结果见表4。由表4可知,4 mm壁厚组合柱约束比为0.2～0.9,6 mm壁厚组合柱约束比为0.3～1.4,不同壁厚下6组FRP管圆柱体的约束比都大于0.07,均为充分约束圆柱体。

表4 组合柱的约束比

3.2 强度

在FRP管加固混凝土组合柱的结构设计中,设计的关键是找到约束模型,即组合柱的强度计算公式。对于圆柱体,强度计算公式为

(4)

式中,m、k为混凝土受约束后强度提高系数。

将壁厚为4 mm的组合柱强度试验值代入已有的强度计算公式进行误差分析,整理的结果见表5。从表5中可以看出,文献[13-15]的强度计算公式误差较大,文献[16]公式对60°、80°纤维缠绕角度的强度计算误差较小,但是对45°纤维缠绕角度的强度计算误差较大。可见,现有的约束公式与文献中的45°纤维缠绕角度FRP管约束混凝土组合柱试验数据相关性较弱。可能原因:一方面,采用45°纤维缠绕角度的FRP管约束混凝土组合柱更易失去约束效应,发生断裂;另一方面,目前关于FRP管约束混凝土组合柱的试验数据仍然有限,大多针对环向纤维缠绕角度进行研究分析。

表5 现有强度计算公式误差分析

通过对文献[11]的试验数据进行回归分析,结果见图4,将混凝土受约束后强度提高系数m、k进行了修正,得到强度比计算公式为

图4 强度提高系数拟合结果

(5)

由图4可知,线性相关系数R>0.8,强度比和约束比关系为强相关,随着约束比增大,强度比也增大,且与约束比基本呈线性增加的关系。

选择包含单向纤维缠绕和交替纤维缠绕的8组试验结果,与本文回归得到的强度计算公式计算值进行比较,整理后的结果见表6。从表6可以看出,对于文献[9,17-18]的试验数据,该公式也能很好地吻合。本文强度计算公式较好地估计了组合柱的强度值,为试验结果提供了很好的预测。

表6 强度计算结果与试验结果对比

4 结 论

1) FRP管约束混凝土组合柱随着纤维缠绕角度的增大,承载力、延性和抗压强度增大。

2) 通过对不同纤维缠绕角度与抗压强度的试验数据进行回归分析,推导出了4 mm和6 mm壁厚纤维缠绕角度与抗压强度的函数关系,表明随着FRP管壁厚的增大,组合柱的约束效应和延性增大。

3) 现有FRP管约束混凝土组合柱的强度计算公式高估了45°纤维缠绕角度强度值,根据已有试验数据,本文通过回归分析得到强度计算公式与试验结果对比误差较小。