复材管纤维缠绕角度对约束混凝土轴压性能的影响研究

鄢油纤 黄奕森 黄旖珩 周龙华

（华南农业大学）

0 引言

复合材料（以下简称：复材）与混凝土、钢等传统的建筑材料结合形成新型的组合结构用于土木工程新建结构中，是复材在土木工程领域应用一个极具潜力的方向[1]。而内填混凝土复材管柱(Concrete Filled FRP Tubes，CFFTs) 正是一种最典型的复材组合构件最基本的形式。其中，复材管既可以采用湿铺法手工制作，也可以直接采用复材缠绕管。特别是后者，通常采用将复材纤维长丝在张力下缠绕在旋转心轴上来制造管状复材部件的生产方法[2-4]。在CFFTs 中，复材管不仅为混凝土核心提供外部约束，而且保护内部钢筋和混凝土免受环境侵蚀[5]。

在CFFTs 中，纤维的铺陈方向与管轴向的夹角一般接近90 度，而对于CFFTs 轴压性能而言，纤维缠绕角度是最重要的影响因素之一[6-8]，因此，从CFFTs 应用的角度出发，基于不同纤维缠绕角度复材管的CFFTs 轴压性能具有较大的研究价值[9]。但是，目前对于复材约束混凝土柱轴压性能的研究主要集中于复材纤维缠绕角为±90°或接近±90°的情况，对于其他纤维缠绕角研究极少。本试验针对以上问题，进行了三种典型的纤维缠绕角度（±80°、±60°和±45°）共9 个玻璃纤维复材管柱的轴压试验，分析纤维缠绕角度对CFFTs 轴压性能的影响。

1 试验准备

1.1 试件制作

本试验采用由广东省纤力玻璃钢有限公司生产的玻璃纤维缠绕管，共三种纤维缠绕角度，分别为±80°、±60°和±45°，管的名义内径为150mm，高度为300mm，针对每种纤维缠绕角度制作了3 个重复试件，共9 个CFFT 试件。为了防止试件在轴压加载过程中端部的局部破坏，在每个试件的两端粘贴了2 层高度为15mm 的碳纤维布进行加固，如图1 所示。在本试验中，混凝土受压为正，受拉为负；而复材管受拉为正，受压为负。

图1 三种不同缠绕角度的CFFT 试件

9 个CFFT 试件的详细信息见表1 中，其中Din和tFRP分别为复材管内径和厚度的实测值，试件名称都以字母“C”开头，表示轴压试件，接下来的数字80、60 或45 表示复材管的纤维缠绕角度，最后一个数字表示重复试件的顺序。

1.2 混凝土参数

在浇筑CFFT 试件时，预留了3 个直径为150mm、高度为300mm 的混凝土标准圆柱体试件，根据ASTM-C469/C469M-14[10]规范，获得28 天混凝土的标准圆柱体平均抗压强度为41.4MPa，峰值应力所对应的平均应变εco为0.002。

2 测点布置及加载

2.1 测点布置

CFFT 试件的应变片布置在试件表面高度一半的位置沿环向选择其四分点，另外，利用特制的钢架在CFFT试件的三等分点位置分别安装3 个量程为10mm 的位移计，位移计的测量范围为试件高度方向中间120mm 的范围内，位移计布置及试验装置如图2 所示。

图2 CFFTs 轴压实验装置

2.2 试验加载

CFFTs 试件的轴向压缩试验在混凝土浇筑后30 天开始，并使用最大容量为3000kN 的试验机进行，试验的具体步骤如下：

⑴每个试件两端用高强石膏进行找平，以确保在试件上均匀加载。

⑵对试件先进行预加载至20kN，观察应变片、位移计的数据是否正常，以及是否出现偏压情况，确保试验装置正常，数据采集能正常采集。

⑶确保试验装置正常，数据采集能正常采集，数据正常后，CFFTs 由预先设定的位移控制加载，加载速率为0.18mm/min，直到CFFTs 试件因复材管的破裂而失效，停止加载。

3 实验现象及分析

3.1 实验现象

在CFFTs 试件加载的全过程中，对于C80-1 试件，当荷载加到1466kN 时，听到复材管发出噼啪的响声，并且中上端发白；当荷载加到1494kN 时，试件中部有明显裂痕，中部与上端部明显变白；当荷载加到1589kN 时，听到爆炸声，试件破坏。对于C80-2 试件，当荷载加到1381kN 时，听到复材管的轻微噼啪声，环向应变片1 和2 之间距离中间往上位置有明显变白；当荷载加到1518kN 时，听到试件爆炸声，试件承载力大幅下降。对于C80-3 试件，当荷载加到1361kN 时，试件稍微变白；当荷载加到1423kN 时，听到试件发出噼啪响声，并且上端部明显变白；当荷载加到1492kN 时，试件损坏并且试件中部位置沿着纤维方向有明显裂痕。

对于C60-1 试件，当荷载加到1100kN 时，试件上端部变白；当荷载加到1142kN 时，听到试件发出噼啪响声，并且试件上端部明显变白，试件中间出现轻微裂痕；当荷载加到1236kN 时，荷载达到峰值此时荷载下降；荷载下降到1198kN 时，试件出现纵向裂痕，试件破坏，试件承载力大幅下降。对于C60-2 试件，当荷载加到889kN 时，试件中部沿纤维方向有一点点变白；当荷载加到1028kN 时，听到试件发出噼啪响声；当荷载加到1117kN 时，试件中部沿纤维缠绕方向有不明显裂痕；当荷载加到1374kN 时，试件明显损坏，试件出现从上而下的贯通破坏，上端部碳纤维布损坏，试件承载力大幅下降。对于C60-3 试件，当荷载加到1063kN 时，试件中部沿纤维缠绕方向有一点点变白；当荷载加到1125kN 时，听到试件发出噼啪响声；当荷载加到1350kN 时，试件明显损坏，中部及上端部出现纵向明显裂痕，试件承载力大幅下降。

对C45-1 试件，当荷载加到750kN 时，荷载此时下降；当荷载缓慢下降到530kN 时，听到试件发出噼啪响声；继续加载，试件中部稍微膨胀，试件出现变形；当荷载下降到300kN 时，试件出现明显变形，试件损坏；停止加载，破坏过程更加缓慢和持续。对于C45-2 试件，当荷载加到781kN 时，荷载此时下降；当荷载缓慢下降到480kN 时，听到试件发出噼啪响声，并且试件中上端部沿纤维方向位置变白；荷载持续下降，试件中部稍微膨胀，试件出现变形，试件损坏。对于C45-3 试件，当荷载加到726kN 时，荷载此时下降；当荷载缓慢下降到540kN 时，听到试件发出噼啪响声，试件中上端部沿纤维方向位置变白；荷载持续下降，试件中部稍微膨胀，试件出现变形，试件损坏。部分试件安装在压力试验机时以及破坏后的形态如图3 所示。

图3 CFFT 试件轴压破坏模态

3.2 实验结果

表1 为试验结果。

另外，绘制了9 个试件的轴向荷载-应变曲线，如图4 所示，其中试件的轴向应变来自于三个位移计读数的平均值，而环向应变来自于四个环向应变片的平均值。

3.3 分析

从表1、图4 可知，缠绕角为±80°和±60°的复材管都能极大提高约束混凝土的极限承载力。C80 试件的荷载-应变曲线表现出典型的双线型曲线，而C60 试件的荷载-应变曲线表现出与C80 试件相似的曲线，但强化段的刚度明显小于C80 试件，而C80 试件的极限应变比C60 试件小，即C60 试件的延展性较好。对于C45试件，由曲线可知，复材管并没有提高约束混凝土的强度，C45 管试件破坏过程相比缠绕角±80°和缠绕角±60°复材管试件更为缓慢和持续，即复材管并不是在最终突然发生破坏，而是有一个较缓慢的破坏过程，所以对轴向应变提高很大，表现出较好的延展性。

表1 试件的几何参数和主要试验结果

图4 试件轴向荷载-应变关系曲线

4 结论

根据以上实验可得：

⑴对于复材管纤维缠绕角度为±80°和±60°的CFFT 试件，其轴压荷载达到峰值时，承载力急剧下降，破坏过程剧烈；对于纤维缠绕角度为±45°的试件，轴压荷载达到极限荷载后持续缓慢下降，复材管破坏现象不明显。

⑵纤维缠绕角绝对值越小，复材管对约束混凝土的约束作用越小，试件整体的最大承载力随着纤维缠绕角绝对值的减小而减小，试件整体的最大极限应变随着纤维缠绕角绝对值的减小而增大。