GFRP筋-钢筋混杂配筋柱偏心受压裂缝形式试验研究

王海洋，王 勃

吉林建筑大学 土木工程学院，长春 130118

0 引言

钢筋的锈蚀问题一直是影响钢筋混凝土结构使用寿命及维护的重要因素[1],纤维增强复合材料筋(FRP筋)具有优异的力学性能和耐腐蚀性,在桥梁、隧道、岛礁等工程建设领域应用前景良好[2-5],是工程界公认恶劣环境下替代钢筋,解决钢筋锈蚀提升结构耐久性的理想新型材料[6-8].FRP筋-钢筋混杂配筋结构,将FRP筋取代部分容易受腐蚀的外侧钢筋配置在结构中[9],不仅可发挥钢筋较好的延性和FRP筋的抗拉强度较高的特性,而且为解决上述问题提供了新思路[10-12].

林泽昕等[13]人为探究GFRP筋柱大偏心破坏机理对5根GFRP钢筋混凝土柱进行了试验.结果表明,GFRP筋混凝土柱在大偏心受压下的破坏模式为受拉区混凝土裂缝达到极限宽度,然后受压区的混凝土被压碎,当受压区混凝土被压碎时受拉区裂缝宽度远超过限值0.5 mm,裂缝宽度控制混凝土设计极限状态.胡波[14]对受约束的FRP钢筋混凝土柱受压进行了模拟和测试.结果表明,混凝土强度和FRP的约束作用影响受压区混凝土的最大应力和最大变形,提出了承载能力和弯矩计算关系模型.侯娜[15]讨论了加载速率对GFRP筋混凝土柱受压性能的影响.试验结果表明,为得到较准确稳定的数据将加载速率控制在1 mm/min～4 mm/min为最佳,混凝土压碎后GFRP筋大部分保持完好,GFRP筋可以替代受压钢筋.

1 试验概况

1.1 试件设计

共设计7根偏压柱,试件参数如见表1.试件设计尺寸如图1,柱高1.5 m,试验段净高0.8 m,截面尺寸350 mm×350 mm.纵向受力钢筋采用HRB400级钢筋和GFRP筋,钢筋与GFRP筋之间采用等截面尺寸替换,直径均为14 mm;箍筋采用HPB300级的直径8 mm的钢筋,箍筋间距150 mm.由于采用偏心加载,为加强牛腿部分的刚度,防止剪切破坏,上下牛腿分别增置5根直径为16 mm的拉结钢筋和布置间距50 mm的5根直径8 mm的箍筋,试件配筋方式如图2所示.

表1 试件参数Table 1 Specimen parameters

图1 试件尺寸示意图Fig.1 Detail of specimen

图2 试件配筋示意图Fig.2 Reinforcing detail

1.2 材料参数

试验前对试验材料进行力学指标试验.以下均为均值:C30,C40混凝土抗压强度分别为32.3 MPa,41.5 MPa.钢筋屈服强度455.1 MPa,抗拉极限强度610 MPa,弹性模量200 GPa,GFRP筋抗拉极限强度828.6 MPa,弹性模量41 GPa.

1.3 加载装置和方式

试验采用位移控制加载[16],加载装置采用YAJ-10 000 kN压剪试验机.分别在柱试验段的顶部、中部和底部放置共3个位移计,记录偏心方向位移.试件上下采用单刀铰支座[17],两端设置钢垫板.以0.3 mm/min速度加载,直到混凝土发生压碎现象停止试验.以每加载0.5 mm位移量为记录节点,暂停加载,记录数据,记录出现裂缝的位置、宽度以及对应的荷载大小.

2 试验结果分析

2.1 试验现象

混杂配筋混凝土柱在试验过程中,首先在受拉区边缘先出现2～5条初始水平裂缝,之后水平裂缝向受压区方向延伸至受压侧,受压面开始出现竖向裂缝,最终受压区混凝土压碎是构件破坏的主要破坏形式,试件破坏形式如图3所示.当达到破坏时混杂配筋柱受压面边角区GFRP筋发生受压鼓曲破坏或白色螺旋缠绕带崩断,受压区钢筋发生屈曲.受压区GFRP筋鼓曲破坏发生在混凝土压碎破坏之后,说明GFRP筋的抗压强度在试验中利用率较高.

(a) 柱侧面 (b) 受压面 (c) 受拉面图3 试件破坏形式Fig.3 Failure modes

2.2 裂缝分析

当柱荷载达到25 %Nu时,裂缝首先在受拉面一侧的边缘出现,发展速度较快,随后向另一侧形成通长裂缝,如图4(a)所示.随荷载提高,受拉面不断产生新裂缝,与原有裂缝逐渐汇集成一条主裂缝,不断向受压区延伸.当荷载达到 100 %Nu 时,受压面的竖向裂缝增多,受压区边缘混凝土脱落,如图4(b)所示.

(a) 25 % Nu

(b) 100 % Nu图4 裂缝分布Fig.4 Crack distribution

混杂配筋柱的裂缝宽度和开裂荷载如图5所示.由图5(a)可知,PYZ1,PYZ2,PYZ3(配筋面积比0.67,1.5,4)的开裂荷载分别为153 kN,197 kN,232 kN,开裂荷载随配筋面积比增大而增大，初始裂缝宽度分别为0.051 mm,0.069 mm,0.297 mm,最大裂缝宽度分别为1.088 mm,1.455 mm,2.112 mm,初始裂缝宽度和最大裂缝宽度同配筋面积比成正比;由图5(b)可知,PYZ5,PYZ1,PYZ6(偏心距150 mm,175 mm,200 mm)的开裂荷载分别为371 kN,153 kN,215 kN,初始裂缝宽度分别为0.066 mm,0.051 mm,0.028mm,最大裂缝宽度分别为1.153 mm,1.088 mm,1.010 mm,初始裂缝宽度和最大裂缝宽度均同偏心距增大成反比;由图5(c)可知,PYZ2,PYZ4(保护层厚度25 mm,30 mm)相比,增加保护层的厚度开裂荷载由197 kN增加至205 kN,初始裂缝和最大裂缝宽度略有增加,初始裂缝宽度分别为0.069 mm,0.074 mm,最大裂缝宽度分别为1.455 mm,1.482 mm;由图5(d)可知,PYZ2,PYZ7(混凝土强度C30,C40)相比,开裂荷载分别为197 kN,408 kN,与PYZ2相比,PYZ7的开裂荷载增长107 %,初始裂缝宽度分别为0.069 mm,0.044 mm,最大裂缝宽度分别为1.455 mm,1.011 mm,开裂荷载同混凝土强度成正比,初始裂缝宽度和最大裂缝宽度同混凝土强度成反比.

(a)

(b)

(c)

(d)图5 不同影响因素下裂缝和开裂荷载Fig.5 Crack and cracking load diagram under different influencing factors

3 最大裂缝宽度计算

3.1 平均裂缝间距计算

GFRP筋-钢筋混杂配筋混凝土柱偏心受压试验中当受拉区首先产生裂缝,混凝土开裂,裂缝两侧混凝土回缩,受纵筋约束,GFRP筋和钢筋与混凝土产生滑移现象,产生粘结应力.当混凝土回缩达到一定值,粘结应力消失,新的裂缝产生,裂缝间的混凝土不断退出工作.大量试验研究表明,纵筋配置情况deq/pte和保护层厚度c对平均裂缝间距lm有较大的影响.lm表达式见式(1),参数计算见式(2),式(3).

(1)

(2)

(3)

式中,k1和k2为经验系数;deq为等效直径,mm,本文采用等截面替换方式,直径相同计算方法见式(3);c为纵筋的保护层厚度,mm;pte为等效受拉纵筋的配筋率,采用弹性模量等效计算见式(2);As和Af为受拉钢筋和GFRP筋总截面积,mm2;Ate为有效受拉混凝土截面面积,mm2,偏心受压取Ate=0.5bh;ρs和ρf为受拉钢筋配筋率和受拉GFRP筋配筋率,(ρs=As/Ate,ρf=Af/Ate);ES和Ef为钢筋和GFRP筋弹性模量;n为受拉区纵筋数量,本文中n取5;n1和n2为受拉区钢筋和GFRP筋的数量;v1和v2为钢筋和GFRP筋的相对粘结特性系数,本文采用带肋钢筋和螺旋绕肋GFRP筋,取v1=1.0,v2=0.82;d为纵筋的直径,mm;α为配筋面积比(Af/As).

将试验数据lm,c,deq,pte代入式(1),通过非线性拟合可得k1=2.6,k2=0.019,得出GFRP筋-钢筋混杂配筋柱平均裂缝间距的公式:

(4)

3.2 裂缝宽度计算

依据《混凝土结构设计规范》得到GFRP筋-钢筋混杂配筋混凝土柱平均裂缝宽度计算公式为:

(5)

最大裂缝宽度计算公式为:

(6)

其中,

(7)

(8)

(9)

式中,ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值,N/mm2;αcr为构件受力特征系数,参照文献[18],计算得混杂配筋混凝土柱取2.1;σ为纵向受拉钢筋的应力,N/mm2;ψ为纵筋应变不均匀系数;z为纵筋中心至受压区中心的距离,mm;e为轴力作用点至受拉纵筋的距离,mm.

由式(6)计算各试件的裂缝最大宽度计算值与试验值见表2.计算值与试验值的比值为0.963～0.992,均值为0.977,计算值与试验值吻合较好.

表2 试验柱最大裂缝宽度计算值与试验值对比Table 2 Comparison between calculated value of test column maximum crack width and test value

4 结论

通过7根GFRP筋-钢筋混杂配筋柱偏心受压试验,给出GFRP筋-钢筋混合配筋柱裂缝形式和影响裂缝宽度因素,得出混杂配筋柱的裂缝间距和裂缝宽度计算方法,得到以下结论:

(1) 混杂配筋柱裂缝在试验过程中首先出现在受拉区,沿指向受压侧发展,受压面的竖向裂缝增多,发展至柱中部,受压区混凝土脱落碎片,混凝土裂缝呈劈裂破坏,受压面呈现压溃的现象.破坏形式为受压区混凝土受压破坏.

(2) 混杂配筋柱裂缝宽度与配筋面积比和混凝土保护层厚度成正比,与偏心距和混凝土强度成反比.混杂配筋柱开裂荷载的影响因素有配筋面积比,混凝土保护层厚度和混凝土强度,开裂荷载与三者成正比.

(3) 通过等模量换算推导的裂缝宽度计算方法,计算值与试验值比值均值为0.977,计算值与试验值吻合较好.