GFRP管约束竹筋细石混凝土组合杆力学性能试验

赵卫锋,周靖,补国斌,齐超文

(1． 广东建设职业技术学院,广州 510440; 2. 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,广州 510640; 3. 湖南工业大学土木工程学院,株洲 412007)

竹子生长速度快,生长过程中可以吸收大量二氧化碳,具有高效固碳作用。在当前绿色发展、“双碳”目标、科技创新的多元化发展中,工程建设行业要实现“双碳”目标,需寻找合适的钢制品替代产品。竹材作为重要工程结构用材应时而发,很有必要研发“以竹代钢”的创新技术和产品。镀锌钢管等金属薄壁管在体育场网、各类工程护栏网中作为支撑立杆广泛应用,但此类金属薄壁管的突出缺陷是长期使用的耐久性差,容易锈蚀损坏,长期维护成本比建设成本高。为解决长期使用的耐久性问题,纤维增强复合材料管(如玻璃纤维增强复合材料)替代金属薄壁管有不少应用。但纤维增强复合材料管的生产成本高,而采用薄壁的纯纤维增强复合材料管作为护栏承载立杆,其抗侧刚度和承载力有所不足。金属薄壁管和纤维增强复合材料管均为高能耗生产制作,不切合当前“双碳”目标的国家战略要求。因此,研发绿色环保、耐久性好、力学性能良好的组合细长杆产品有迫切的工程应用需要。

依据实际工程需求,笔者团队研发了一种玻璃纤维增强复合材料(GFRP)管约束竹筋细石混凝土组合(GBCC)构件(图1),可广泛应用于大型体育场馆、公路、铁路、河道、光伏发电场等工程的围栏立杆(图2),应用前景广阔。GBCC组合构件的技术优势体现在以下3个方面:①力学性能良好。GFRP管提供径向约束套箍作用,自密实细石混凝土提供抗压能力,大截面竹筋(横截面大于15 mm×7 mm)提供轴向抗压和侧向抗弯能力,3种材料协同工作,组合细长杆能获得较稳定的复合承载能力。GFRP管具有长期使用耐久性,可部分消除GBCC组合构件承载能力的离散性和随机性。②制作工艺简单。竹竿破篾制作成横截面为弧形状或矩形状的原生竹片(NBS),无须复杂的再加工处理;细石混凝土和GFRP管均为普通的商用材料。GFRP管套住竹片,再灌入细石混凝土,构型简单,制作工序少而简洁,可标准化预制生产。③产品绿色低碳。原生态粗加工竹片占比较高,可相对减少细石混凝土和GFRP材料的用量,显著降低组合细长杆的质量,成品的成本低廉且绿色环保。

图1 GBCC杆截面Fig. 1 Cross-section of GBCC rob

图2 GBCC围栏立杆Fig. 2 GBCC upright robs of fence

纤维增强复合材料(FRP)管或布约束混凝土能满足现代工程结构在复杂恶劣条件下的工作需要,已被广泛地应用于各种工程结构[1-3]。Teng等[4]对FRP约束混凝土及其结构构件开展过系统试验和理论研究;马辉等[5]试验研究了GFRP管约束再生混凝土柱的轴压性能;祝明桥等[6]进行了GFRP管约束自密实活性粉末混凝土短柱和长柱的轴压试验;于峰等[7]依据试验结果建立了GFRP约束混凝土细长柱的承载力计算模型。采用FRP约束竹材以加强构件的力学性能:Feng等[8]研究了FRP包裹竹条加固受压型钢柱的力学性能;Liu等[9]研究了FRP约束竹木胶合管的力学性能。还有较多竹筋增强混凝土构件的研究[10],如竹筋混凝土柱或墙等,制定了相关的技术规程,也有成功实施的工程案例。陈溪等[11]进行了竹筋增强再生混凝土加固钢筋混凝土柱的轴压试验研究;魏洋等[12]提出FRP约束竹-混凝土组合梁,并进行组合梁的力学性能研究,这是目前极少的FRP、竹材、混凝土3种材料集成开发的案例。而针对较大长径比的细长立杆,目前鲜见相关文献报道。本研究介绍了GBCC杆的抗压和抗弯试验结果,进行12根GBCC短杆轴压破坏试验、7根长杆轴压稳定试验和10根长杆抗弯试验,研究GBCC试件力学性能的影响规律,调查GFRP、细石混凝土和竹筋协同工作状态,为工程应用提供技术参考。

1 试验概况

体育场馆等围栏承载立杆不但需要挂载铁网,而且需挂载广告牌等重物,台风、人力推拉等是常遇的水平荷载,立杆须具备较好的竖向承载力和抗弯承载力,本试验从抗压和抗弯2个方面进行。

1.1 试件设计

考虑竹片类型和含竹率(ρ)不同,设计4类12根GBCC短杆试件,考察轴压性能稳定性和破坏形态,判别材料协同工作状态。GFRP管外径50 mm、壁厚2.5 mm、长200 mm,设计长径比为4,大截面竹片为原生竹片(NBS)或竹编胶合板片(BPS),如表1所示。

表1 GBCC短杆轴压试件参数Table 1 Parameters of short GBCC rob specimens under axial compression

考虑竹片类型、含竹率、细石混凝土密实性、BPS连接的差异,设计7根GBCC长杆试件,考察轴压失稳极限承载力和变形。GFRP管外径50 mm、壁厚2.5 mm、长2 500 mm,设计长径比为50,竹片为NBS或BPS;GFRP管内径45 mm,插入竹片后内部空间很小,影响细石混凝土的填灌,因此,考虑密实性影响非常必要。定量计量灌入GFRP管内的细石混凝土,粗略确定低、中、高三级密实性。目前,市场上竹编胶合板的最大长度为2 440 mm,制造长2 500 mm以上的GBCC围栏立杆需连接BPS。考虑较不利情况,将BPS连接设计在立杆高度的二等分位或三等分位,采用气钉固定连接,详细尺寸如图3所示。采用1根围栏工程中广泛应用的普通薄壁空心钢管(钢管外径50 mm、壁厚2.0 mm、长2 500 mm)作为对比试件(LCRs-8),试件参数如表2所示。

表2 GBCC长杆轴压试件参数Table 2 Parameters of long GBCC rob specimens under axial compression

图3 二等分BPS连接构造Fig. 3 Connection construction of bisection BPS

考虑竹片类型、含竹率、BPS连接、试件受力方向不同,设计10根GBCC长杆试件,考察抗弯承载力和破坏形态。GFRP管外径50 mm、壁厚2.5 mm,加载跨距1 800 mm,细石混凝土均为中密实性,BPS、NBS的横截面为长条形或圆弧形,不同受力方向竹片所承担的抗弯作用不同。采用1根普通薄壁钢管(钢管外径50 mm,壁厚2.0 mm、加载跨距1 800 mm)作为对比试件(LBRs-11),试件参数如表3所示。

表3 GBCC长杆抗弯试件参数Table 3 Parameters of long GBCC rob specimens subjected to bending-resistance

1.2 试验材料

本试验涉及细石混凝土、薄壁钢管、毛竹竹材、GFRP管和竹编胶合板5种材料,其中细石混凝土、竹材、钢管和竹编胶合板的材性参数采用实验室测试数据。竹材的力学性能随年龄、部位差异大[13-14],采用测试平均结果进行分析。GFRP管材性参数采用其供货商河南四通提供的数据。

C40细石混凝土的标准混合料由河南欧斯邦建材有限公司提供。依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测定标准抗压强度为28.05 MPa、抗压弹性模量为32.6 GPa,换算圆柱体标准抗压强度为24.68 MPa。依据JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力学性能试验方法》,测定竹材纵向顺纹抗压标准强度为50.2 MPa、纵向顺纹抗拉标准强度为144.2 MPa、弹性模量为12.9 GPa。依据GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验 第1部分:室温试验方法》,测定钢材抗拉屈服强度为348.7 MPa、极限强度为425.3 MPa、弹性模量为190.1 GPa。竹胶合板纵向抗压标准强度36.0 MPa,与相关测试结果[15]基本相同,抗拉标准强度为76.1 MPa、弹性模量为7.9 GPa;GFRP管的轴向抗压标准强度为102.4 MPa、抗压弹性模量为20.8 GPa、环向抗拉标准强度为117.3 MPa。

1.3 试验方法

GBCC短杆试件的轴压测试装置如图4a所示,试件上端的橡胶垫与压力机上压板接触,试件下端的橡胶垫通过荷载传感器与压力机平台接触,压力机施加竖直向下的荷载。GBCC长杆试件的轴压测试装置如图4b所示,依托钢反力架安装测试设备,液压千斤顶设置在支撑平台上,荷载传感器固定在千斤顶上端,长杆试件下端插入100 mm深的钢套筒内,长杆试件上端固定在钢反力架上,长杆试件上、下端可自由转动模拟铰接,液压千斤顶施加竖直向上的荷载。轴压测试均由荷载传感器和位移计采集数据。GBCC长杆试件的抗弯测试装置如图4c所示,通过逐渐增加配重的方式进行加载。抗弯试件两端支撑在弧形支座上,可自由转换和滑动来模拟铰接,两端弧形支座间距1.8 m;抗弯试件跨中上侧固定一个弧形卡槽,承重台挂载在弧形卡槽上。通过位移计测量跨中弧形卡槽的竖向位移,计量配重数量计算施加的荷载。人工堆载比伺服加载时间长,其加载速度和堆载方式对试验结果可能有影响,其有利或不利因素尚需深入探讨。

图4 试验装置Fig. 4 Experimental devices

2 GBCC短杆轴压试验

2.1 GBCC短杆轴压破坏特征

GBCC短杆试件轴压试验破坏过程基本相似,GFRP管逐渐膨胀,端部出现裂缝并纵向发展形成贯通裂缝,与管内混凝土脱离;混凝土压溃破裂,承载力快速退化;内部竹片形态保存完好,部分试件的竹片与混凝土之间出现裂缝。与较大直径GFRP管约束混凝土柱的轴压破坏形态相似,GBCC短杆的GFRP管先于混凝土出现失效破坏,混凝土与竹片粘接良好,表明GFRP发挥了套箍作用,3种材料能够协同工作;但GBCC短杆的GFRP管出现贯通裂缝破坏,表明GFRP管的环向抗拉能力偏弱。为提高轴压能力,可适当增大GFRP管壁厚或者提高GFRP管环向抗拉强度,提升径向约束效果。短杆试件轴压典型破坏形态如图5所示,不同类型试件的破坏形态有差异,相同类型试件的破坏形态表现特征也不同,如SCR-1的3个相同试件破坏形态有所差异。

图5 GBCC短杆试件轴压破坏形态Fig. 5 Failure mode of short GBCC specimens under axial compression

2.2 GBCC短杆轴压试验结果

4组试件的轴压平均承载力见表4,典型的荷载-轴压变形曲线见图6。对比可知有几个较明显的差异:①含竹率低(20%左右)的试件相比于含竹率高(40%左右)的试件,抗压承载力和抗压刚度更大,主要原因是含竹率高则混凝土含量低,3种材料的协同工作性能降低,GFRP管开裂和混凝土压溃较早出现;②含BPS试件的抗压承载力比含NBS试件的离散性大,可能原因是大幅面竹胶板裁切成宽30 mm的BPS竹片,内部胶层受到扰动损伤,实际的纵向抗压强度比标准测试方法得到的抗压强度小,表现为含BPS试件的承载力离散性增大;③4组试件的轴压塑性变形良好,轴向抗压强度峰值超过30.0 MPa,超过混凝土和竹材的抗压强度截面积加权平均值10%以上,表明GFRP发挥了约束作用,而且3种材料的构成体系能够协同工作。以上试验结果表明,采用NBS比采用BPS的效果好,但还需优化含竹率。

表4 GBCC短杆轴压承载力Table 4 Axial compression capacity of short GBCC rob specimens

图6 GBCC短杆轴压典型的荷载-轴压变形曲线Fig. 6 Typical axial load-deformation curves of short GBCC rob specimens

3 GBCC长杆轴压试验

3.1 GBCC长杆轴压失效特征

GBCC长杆试件和薄壁空心钢管试件的轴压失效特征如图7所示。随着轴压荷载增加,GBCC长杆试件基本在半高位的侧向变形逐渐增大,超过稳定极限承载力后出现整体屈曲失稳而快速失去轴压承载力,其中,试件LCR-1～LCR-6整体表现为一阶大弧形变形,试件LCR-7为二阶S形变形。GBCC长杆试件未出现明显的损伤破坏,卸载后均恢复到原有直线状态,GBCC长杆试件良好的弹性变形能力和弹性恢复能力,得益于内部竹材和GFRP较高的抗拉强度及韧性。薄壁空心钢管试件(LCRs-8)轴压屈曲变形为塑性变形,卸载后不能恢复到原有状态。

图7 长杆试件轴压失稳形态Fig. 7 Buckling mode of long rob specimens

3.2 GBCC长杆轴压试验结果

细石混凝土密实性不同试件的轴压荷载-位移曲线比较见图8a。随着密实性的增大,GBCC长杆试件的侧向和轴向刚度增大,低、中、高密实性试件的峰值荷载比为0.79∶1.00∶1.47,表明灌入细石混凝土的相对密实性对轴压稳定承载力有非常重要的影响。高密实性意味着GBCC试件内部空心缺陷少,不同材料有更好的协同工作性能,承载能力和稳定性提高。

图8 GBCC长杆轴压荷载-变形曲线Fig. 8 Axial load-deformation curves of long GBCC rob specimens

材料不同试件的轴压荷载-位移曲线比较见图8b。LCR-2试件(含BPS)与LCR-6试件(含NBS)侧向和轴向刚度相当,但LCR-2试件的承载力大;LCRs-8试件(钢管)侧向刚度较大而轴压刚度最小,峰值承载力略小于LCR-2试件和LCR-6试件,三者峰值荷载比为0.84∶1.00∶0.88,整体相差不大,含竹率20%左右的GBCC长杆承载力能够等效于目前市场上广泛应用的薄壁钢管承载力。含竹率38.6%的LCR-7试件(含NBS)刚度和承载力均较大,甚至比GBCC短杆试件(含NBS的SCR-4试件)承载力大。长杆试件相比,试件LCR-7含竹率高,抗侧弯能力大,出现二阶S形失稳状态,轴压稳定承载力增加;与试件SCR-4相比,试件LCR-7的GFRP管未出现贯通裂缝,二阶失稳侧向变形显著减小,约束套箍作用得到充分利用。

竹片(BPS)分段连接试件的轴压荷载-位移曲线比较见图8c。竹片连接次数多,GBCC长杆试件的侧向和轴向刚度降低,BPS无、1次、2次连接试件的峰值荷载比为1.00∶0.67∶0.47,表明BPS连接可能导致的缺陷对轴压稳定承载力有非常重要的影响。BPS连接不一定是连接效果欠佳,更可能是连接段的含竹率较高,影响灌入细石混凝土的密实性,内部出现空心缺陷,降低不同材料的协同工作性能。

以上结果表明,GBCC构件的制作要充分考察填灌混凝土的密实性,不宜采用分段连接的BPS,综合考虑含竹率的影响而达到较好的抗压承载力。

3.3 轴压极限承载力估算

依据前述GBCC短杆和长杆试件轴压试验结果,构建轴压稳定极限承载力估算公式,为GBCC构件的设计应用提供支持。参考相关混凝土约束理论研究[4]并做适当修正,假定GFRP管内竹筋混凝土圆柱体受到均匀约束,混凝土和竹片协调变形符合平截面假定;忽略GFRP管轴向承载力,等效视为细石混凝土。建立GBCC短杆轴压极限承载力计算模型:

(1)

(2)

(3)

(4)

Ag=πDt

(5)

式中:Ac为细石混凝土截面积;Ab为竹片截面积;f′c为混凝土圆柱体抗压强度;f′b为竹片抗压强度;fg为GFRP管约束强度;Ag为GFRP管截面积;fs为GFRP环向抗拉强度;t为GFRP管壁厚;D为GBCC杆的直径。

(6)

表5 估算值与试验值比较Table 5 Comparison of estimated values with test values

(7)

4 GBCC长杆抗弯试验

4.1 GBCC长杆抗弯破坏特征

GBCC长杆试件和薄壁空心钢管试件的抗弯破坏形态如图9所示。GBCC试件破坏过程基本相似,接近峰值左右挂载点GFRP管下侧环向撕裂或纵向拉断,混凝土断裂,变形快速增加,竹片拉断后试件整体断裂,表现为脆性破坏。含BPS试件(LBR-5～LBR-10)比含NBS试件(LBR-1～LBR-4)变形发展速度快,脆性破坏特征更显著,表明含NBS试件的抗弯韧性相对较好。含竹率高的试件和平行于竹片长边加载的试件,脆性断裂破坏相对延后,含竹率和竹片布置方式对破坏过程有明显影响。薄壁空心钢管试件(LBRs-11)挂载点上侧局部承压变形,整体挠度发展相对较慢,峰值荷载后有塑性变形段,表现为延性破坏。

图9 抗弯破坏形态Fig. 9 Bending failure pattern

4.2 GBCC长杆抗弯试验结果

竹片受力方向不同试件的荷载-位移曲线比较如图10所示。平行于竹片长边方向加载试件的峰值荷载大于垂直于竹片长边方向加载试件,变形能力也相对较大。竹材有较高的抗拉强度,远离试件中和轴的受拉侧竹片含量大,试件抗弯能力大,与钢筋混凝土梁的受力特点相同。低含竹率试件(LBR-1、LBR-2、LBR-5、LBR-6)中受力方向对抗弯刚度影响小,而高含竹率试件(LBR-3、LBR-4、LBR-7、LBR-8)中受力方向对刚度有一定程度的影响,表现为垂直于竹片长边方向加载试件(LBR-4、LBR-8)有相对较大的抗弯刚度,其原因在于试件LBR-4、LBR-8上部抗压区混凝土占比大,对试件抗弯刚度贡献大,而混凝土抗压弹性模量高于竹材抗压弹性模量。含NBS试件(LBR-3、LBR-4)的刚度高于含BPS试件(LBR-7、LBR-8),原因在于含竹率接近,NBS弹性模量(12.9 GPa)高于BPS弹性模量。

图10 竹片受力方向不同试件的比较Fig. 10 Comparison of specimens with bamboo strip in different loading directions

材料类型和含竹率不同试件的荷载-位移曲线比较如图11所示。含NBS试件的承载力基本上高于含BPS试件(LBR-1除外);平行于竹片长边方向加载试件的承载力高于薄壁空心钢管试件(LBRs-11),其中,试件LBR-3的承载能力是LBRs-11试件的1.34倍;试件LBRs-11的承载力相当于垂直于竹片长边方向加载含NBS试件,高于含BPS试件。含竹率对GBCC试件的峰值荷载和刚度有一定程度的影响,垂直于竹片长边方向加载试件含竹率大,含NBS试件(LBR-2、LBR-4)或含BPS试件(LBR-6、LBR-8)的峰值荷载均较大,平行于竹片长边方向加载试件亦有类似规律。原因在于竹材有较好的抗拉强度,含竹率大的GBCC杆受拉侧抗拉能力强,从而提高整体截面的抗弯承载力。含竹率大,GBCC试件的抗弯刚度反而小,原因是竹材的弹性模量低于混凝土弹性模量,GBCC杆抗压区混凝土占比小,对抗弯刚度贡献小。试件制作中发现含竹率高的试件填灌混凝土困难,内部密实性降低而可能存在缺陷,影响材料协同工作性能。含竹片试件的刚度相对于薄壁空心钢管试件(LBRs-11)小,原因在于钢材的弹性模量较大而竹材的弹性模量小,综合表现来看试件LBRs-11的抗弯刚度相对较大。从以上规律来看,含竹率20%的GBCC试件能够达到甚至超过薄壁空心钢管试件承载力和变形能力。

图11 材料类型和含竹率不同试件的比较Fig. 11 Comparison of specimens with different material types and bamboo contents

BPS连接试件的荷载-位移曲线比较如图12所示。BPS连接次数增加,抗弯承载力和刚度显著减小,LBR-5、LBR-9、LBR-10的抗弯刚度比为1.00∶0.92∶0.74,峰值荷载比为1.00∶0.91∶0.73。BPS连接试件的抗弯能力降低可能是因为连接段的含竹率高,灌入混凝土密实性降低而出现缺陷,降低不同材料的协同工作性能。

图12 BPS连接次数不同试件的比较Fig. 12 Comparison of specimens with different BPS connection times

5 结 论

研究了玻璃纤维增强复合材料管约束竹筋细石混凝土组合(GBCC)构件,进行了短杆轴压破坏试验、长杆轴压稳定试验和长杆抗弯试验,得到以下结论:

1)GBCC构件制作工艺简单、力学性能优良、绿色低碳,替代薄壁空心钢管用作各类围栏的承载立杆有广阔的应用前景,是工程建设实现减碳目标的可选产品。

2)GBCC短杆轴压破坏特点为GFRP管胀裂、混凝土压溃破裂,竹片形态保存完好,3种材料能够协同工作;GFRP管的环向抗拉强度或壁厚可适当增加以提升径向约束效果,含竹率过高对其抗压承载力和抗压刚度不利。

3)GBCC长杆轴压失效特点为整体屈曲失稳,灌入细石混凝土的相对密实性、竹胶合板片连接缺陷和含竹率对轴压稳定承载力有重要影响;含竹率20%左右的GBCC长杆轴压稳定承载力基本能够等效于市场上广泛应用的薄壁空心钢管。结合GBCC短杆和长杆的试验数据,构建了轴压稳定极限承载力的计算公式,能较好地估算其稳定承载能力。

4)GBCC抗弯试件在GFRP管受拉侧环向撕裂或纵向拉断,混凝土断裂,竹片拉断后试件整体断裂,表现为脆性破坏,含竹率和竹片布置方式对破坏过程有明显影响。平行于竹片长边方向加载试件的抗弯承载力大于垂直于竹片长边方向加载试件,GBCC组合杆的应用中应注意这种方向性的差异;含竹率20%左右的GBCC试件能够达到甚至超过薄壁空心钢管试件的承载力和变形能力;含BPS的试件的BPS连接次数增加,抗弯承载力和抗弯刚度减小。