纤维缠绕角度对复材缠绕管的轴向抗压性能影响分析

彭 旭,杨 森,邹 毅,周龙华,黄奕森,黄旖珩,谢 攀

(华南农业大学水利与土木工程学院,广东 广州 510642)

1 引 言

桥梁墩柱的施工条件及受力状况与上部结构不同,跨海桥梁由于特殊的海洋环境,墩柱结构极易被腐蚀,受到破坏后难以修复。然而,海洋是严酷的自然腐蚀环境之一,海洋工程结构要遭受海水、海洋大气或更为严酷的飞溅区、潮差区的腐蚀。传统的建筑材料在海洋环境中极易腐蚀,据统计,我国约有24%的东南沿海公路桥梁产生了钢筋锈蚀与锈胀裂缝[1],我国每年因钢材锈蚀导致的经济损失超过国民生产总值的3%。因此,对于墩柱的材料选取极为重要。新型纤维增强树脂基复合材料(Fiber-reinforced resin matrix composites)因其比强度高、比模量大、耐腐蚀、耐久性好等优点被广泛应用在桥梁建设等工程中。由于新型复合材料的热膨胀系数与混凝土相近,使得FRP约束混凝土时,混凝土处于多向受压状态。从而提高了其约束混凝土的强度等力学性能。故FRP包裹的混凝土组合柱构件能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作的需要,同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求[2-4]。

目前对FRP混凝土组合柱构件的研究仍然存在不严谨或不完全适用之处,如构件中的FRP通常被认为处于单轴应力状态(即环向拉力),特别是当纤维取向接近环向时[5]。然而实际复合材料组合构件中,FRP管应该是受到双轴应力(环向拉力和轴向压力)。因此需要做进一步的试验来测定,并且测定方式的准确性也需要进行深入研究。由于其纤维以接近环向布置为主,所以复材管在轴向压缩下,表现出明显的非线性。因此,对于复材管在土木工程的应用研究和实践而言,准确测定复材管的轴向压缩性能,包括轴向压缩线性参数(轴向压缩强度、轴向压缩弹性模量和泊松比)和考虑非线性的参数具有重要的意义。在测量复合材料压缩性能的试验方法中,除了传统的直条形片材压缩试验[6-7]外,各国学者也提出了许多不同的试验方法。如为了消除边界效应、试样弧形等不利影响,在测定复材管轴向压缩性能时直接采用完整的管段作为试样[8-9]。但是现有的这些方法在实际工程应用中都存在着一定的局限性,如难以适应工业化生产的纤维缠绕管管径的波动以及壁厚的变化,且试验装置难以重复利用等。为此,在一些学者[10-15]的研究基础上,参考各个国家和地区的试验标准,总结经验,利用一种新型简易的测量复材管轴向压缩性能的试验装置[16],分析纤维缠绕角为45°、60°和80°的玻璃纤维复合材料管在轴向受压情况下的试验数据,探索强度性能更好的FRP混凝土组合柱构件。

项目依托广东省大学生创新创业项目“基于海洋环境下的复材混凝土新型组合墩柱力学性能的研究”,以GFRP空管为对象开展试验,旨在研究其轴压状态下的力学性能和破坏形态,掌握不同纤维缠绕角度对构件轴向抗压性能的影响。研究不同纤维缠绕角度对复材缠绕管的轴向抗压性能的影响更加贴合实际应用需求。可以为海洋环境下的桥梁工程提供试验基础和数据支撑。

2 试验方案

2.1 试件准备

试验采用的是连云港中复连众复合材料集团有限公司提供的玻璃纤维复合材料(Glass FRP,GFRP)缠绕管,其中树脂选材为邻苯树脂。该玻璃纤维复合材料管管身轻而硬,不导电,性能稳定,机械强度高且耐腐蚀。试验制作了3组试件,每组3个,共9个玻璃纤维复合材料缠绕管。纤维缠绕角分别为45°、60°和80°。根据厂家提供的数据报告,各试件的名义直径为150 mm、名义壁厚为 3 mm、高度为150 mm。试件需经过外观检查,如有缺陷或不符合尺寸及制备要求的试件,应作废处理。将合格试件进行编号,并测量试件尺寸。分别测量试件的内径及试件的厚度。在试件两个端面上,分别测量相互垂直两个方向上的内径,取其平均值作为平均内径。在试样任一端面的8个等间隔处测量壁厚,舍弃其中最大值和最小值,取其余各点的平均值为平均壁厚,试件的壁厚为两个端面平均壁厚的平均值。实际测量试件的具体尺寸参数如表1所示。为避免试件在加载时因应力集中而在端部率先发生破坏,在所有试件两端外壁均粘贴缠绕1层宽度为25 mm的碳纤维布,使用高强石膏对试件两个端面进行找平,放置阴凉通风处自然风干后对试样进行打磨处理,修除管壁上的胶瘤或突起等。

表1 试件尺寸

2.2 试验装置

每个试件在其高度一半的位置沿环向均匀粘贴四个环向电阻应变片和四个纵向电阻应变片,分别用于测量试件的环向应变和轴压应变,应变片长度均为20 mm。

试验参考“测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置”[16],设计了专门的端板装置来嵌固试件的端部。将试样的上端套入上端板中心的圆柱形凸起中,并初步对中,确保加载过程中复材管均匀对称受压。安装时将管状试件的端部嵌入端板的凹槽并填充高强度石膏来加固试样的端部,待凹槽内的高强度石膏硬化后,倒转试样,进行下端板的嵌套,方法同上端板。端板的凹槽具有一定的调节度,可适应复材管管径和壁厚的波动。

利用MTS材料试验系统进行空复材管试件的轴向压缩试验。通过调整试件在试验机加载板上的位置来确保试件处于轴向压缩的受力状态。由电脑控制试验加载,并全程采集数据。试验加载模式为位移控制,对试样均匀加载,加载速率为0.6 mm/min,且加载过程保证上、下端板平行,匀速加载直至试件破坏。为保证试样的轴向压缩,在正式加载开始前需对试样进行对中调试。将试样初步加载至轴向应变达到0.000 2左右,判断对称布置轴向电阻应变片的轴向应变误差值不大于两者平均值的10%,即满足试样对中的要求。否则需调整试样的位置直至满足对中要求。

3 试验结果及分析

3.1 试验现象及破坏形态

三种不同纤维缠绕角度的玻璃纤维复材管在轴向压缩作用下,表现出不同的试验现象和破坏形态。

加载初期,通过分析电脑采集到的轴向应变数据可知,试件处于轴向对中状态,试件除了发生轴向压缩变形和轻微的侧向膨胀外,并无其他明显现象。

纤维缠绕角为45°的试件的破坏并不是在最终突然发生,在轴压应力50～58 MPa之间,会发生明显的胶层开裂,出现裂缝但不明显,随着轴向荷载的增加,试件出现明显的白色裂纹并逐渐由中部向四周扩散,是发展得较为缓慢的一个持续过程。而在中后期,纤维层与层之间发生较大面积的剥离,在管中部呈现出非常明显的白色。最终破坏面不太明显,与纤维缠绕方向平行。

纤维缠绕角为60°的试件,纤维层与层之间的剥离现象相对较轻,随着荷载的增加,复材管表面沿着纤维缠绕方向出现白斑,但不太集中。最后沿纤维缠绕方向的纤维断裂面非常明显。

而对于纤维缠绕角为80°的试件,由于纤维趋于环向缠绕,纤维层与层之间的剥离现象不明显,所以加载过程中复材管表面沿着纤维缠绕方向的白斑不是特别明显,破坏相对突然,最终的破坏面接近于水平方向。

所有的试件在压缩过程中,均可听到噼啪的纤维断裂声,在破环时均伴随着爆裂声。

3.2 试验曲线

根据试验收集到的数据,分别绘制缠绕角为45°、60°和80°的各组试件的轴压应力-轴向应变曲线和轴向应变-环向应变曲线,如图1、图2所示。其中,轴向压缩应力为轴压荷载与空管横截面积的比值,而轴向应变和环向应变分别取4个轴向电阻应变片和4个环向电阻应变片读数的平均值。可以注意到,有些试件的破坏轴向应变较小,例如F45-2、F60-1、F80-2,原因是其对应试件离散水平较大,试件瞬间破坏。

图1 试件的轴压应力-轴向应变曲线

图2 试件的环向应变-轴向应变曲线

3.3 主要试验结果

根据试验结果,通过公式(1)、公式(2)计算得出不同纤维缠绕角度试件的轴向压缩弹性模量和泊松比,如表2所示。其中,轴向压缩弹性模量和泊松比的计算结果均是取用平均轴向应变为0.002～0.003之间线性段的数据,并根据有关规范说明进行计算得出。

表2 试验结果

(1)

式中:Ex,c为试件轴向压缩弹性模量,MPa;x仅代表轴向,无任何数学意义;c仅代表压缩状态,无任何数学意义;ΔF为试件在弹性阶段荷载增量,N;d为试件实测内径,mm;t为试件实测厚度,mm;Δεx为与荷载增量ΔF对应的试件轴向应变增量。

(2)

式中:vxθ为试件轴向压缩泊松比;Δεθ为与荷载增量ΔF对应的试件环向应变增量;θ仅代表环向,无任何数学意义。

从表2中可以看到,45°纤维缠绕角试件的轴向压缩弹性模量和泊松比最高,60°的次之,80°的最低。表明45°的延性最优。由于80°纤维缠绕角的GFRP管试件的纤维基本趋于环向缠绕,而60°纤维缠绕角的GFRP管试件表现出与80°纤维缠绕角的GFRP管试件相似的轴压应力与轴向应变关系,但强化段的刚度明显比80°纤维缠绕角的GFRP管试件的小。在荷载作用早期,环向应变较小,荷载对GFRP管试件的作用不明显,所有角度的GFRP管试件的应变曲线基本一致。但随着荷载的增加,轴压应力-轴向应变的曲率都变小,但是轴向应变的增长变快,GFRP管的环向应变增大。其中45°纤维缠绕角的GFRP管试件的环向应变增长幅度最大,60°的次之,80°的最低。

4 结 论

对45°、60°和80°三种不同纤维缠绕角度的复材管进行轴向压缩试验,通过对比三种不同纤维缠绕角度的复材管在轴向压缩作用下的破坏形态及分析试验数据整理的结果,评估纤维缠绕角度对复材管轴向抗压性能的影响,可以为探索强度性能更好的FRP混凝土组合柱构件提供试验基础和数据支撑,并为海洋环境下的桥梁工程尤其是墩柱部分有关材料的选取提供参考。试验得到以下主要结论。

(1)玻璃纤维复材管在轴向压缩作用下,随着荷载的增加会逐渐产生轻微的侧向膨胀,外壁会先出现白斑并沿着缠绕角方向不断延展,当达到极限荷载时,复材管会突然发生破坏并发出巨响,破坏面与纤维缠绕角度平行。

(2)用专门设计的复材管轴向压缩装置可以较为准确地测量出复材管轴向压缩弹性模量和泊松比等轴向压缩参数。

(3)复材管轴压试验结果显示:随着纤维缠绕角的变小,复材管表现出更大的轴向压缩弹性模量和泊松比。