FRP布材增强钢筋混凝土桩水平承载性能研究*

张建伟, 樊亚龙, 娄蒙凡, 边汉亮, 丁 乐

(1 河南大学土木建筑学院，开封 475004；2 河南省轨道交通智能建造工程技术中心，开封 475004)

0 引言

在桩基结构加固工程中,往往要求材料具有较高的强度和抗侵蚀性。纤维复合材料因其轻质高强、耐酸碱侵蚀的特性,被逐渐应用于一些有特殊要求的工程环境中[1-2]。已有研究表明,桩基不仅承受水平和竖向方向的荷载,还要受到海水、盐渍土和其他恶劣环境的侵蚀,对桩身采用FRP材料加固,可同时提高承载力和耐腐蚀性。

已有众多国内外学者对FRP加固后的混凝土构件承载性能进行了研究。Fam等[3]研究了FRP管桩的竖向承载能力,并通过试验结果建立纤维增强混凝土构件轴心受压的约束模型。Giraldo等[4]通过模型试验研究了黏性土中FRP桩和钢桩的竖向承载能力,结果表明,FRP桩的竖向承载能力要大于钢桩。Ilki等[5]研究了FRP布包裹的圆截面初始损伤混凝土柱的轴向承载能力,认为FRP加固初始损伤的混凝土柱与加固完好的混凝土桩的力学性能相差不大。Shao等[6]研究了FRP约束混凝土柱的循环响应问题,分析了循环荷载对FRP约束混凝土的应力-应变曲线的影响。Campione等[7]研究了BFRP布约束混凝土构件的抗压性能,从层数、包裹类型等方面对受约束试件强度和延性进行试验,结果表明,受BFRP布约束的试件极限应变显著增加,峰值应变是无约束试件峰值应变的5倍。对于FRP桩水平承载特性方面,Fam[8]进行了大尺寸玻璃纤维增强塑料圆管的试验,研究了其抗弯性能。Murugan等[9-10]研究了玻璃和碳纤维聚合物两种纤维加固对RC桩的水平承载力影响。Rayhani等[11]进行了软黏土中FRP桩的模型试验研究,以及纤维方向对FRP桩性能影响研究,并与普通钢桩相比,FRP桩的性能更优。Alsaad等[12]对CFRP包裹的混凝土圆柱在海洋环境中的性能进行了测试研究,随着浸泡时间的增加,圆柱各项指标逐渐下降。徐宁等[13]对FRP布加固普通混凝土桩的承载性能进行了研究,结果表明,复合桩的水平承载性能较普通混凝土桩有一定的提升。此外,还有很多学者对FRP加固混凝土构件进行数值模拟研究[14-16]。

目前,关于FRP布材加固钢筋混凝土桩水平承载性能的研究相对较少。本文主要通过室内模型试验和ABAQUS有限元模拟,对不同FRP布材类型、不同包裹层数的单桩水平承载性能进行研究,进一步确定FRP布材对混凝土桩的最优加固方式。研究结果可为FRP布桩水平承载力设计提供参考。

1 试验概况

1.1 模型与土体参数

模型槽的高为1.8m,直径1.3m,槽壁为高强度钢板,如图1所示。

图1 模型槽

土体选用河南省开封地区粉砂土。将模型桩放置于模型槽预定位置,然后采用土体进行分层填筑,每层填筑20cm进行整平压实,保证土样的均匀密实性。同时对土样进行土工试验,具体物理力学参数见表1。

表1 土体物理力学指标

1.2 FRP材料

本文选用的FRP布为某公司生产玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)、玄武岩纤维(BFRP),如图2所示,FRP布的材料性能如表2所示。

表2 FRP布的材料性能

1.3 模型桩

模型桩长1.5m,桩身截面0.1m×0.1m,保护层厚度10mm。钢筋笼采用4根直径为8mm的钢筋绑扎。桩身采用C30混凝土,配合比水泥∶水∶砂∶石子为1∶0.45∶1.36∶3.0。桩身应变片位置见图3。

图3 桩身应变片布置图

待模型桩养护28d后,在桩身粘贴FRP布。模型桩设计为三种类型,分别为钢筋混凝土桩(简称RC桩),三种类型FRP布(CFRP布、BFRP布、GFRP布)加固的钢筋混凝土桩(简称FRP布桩)。为探究不同类型、不同层数的FRP布对FRP布桩的水平承载能力的影响,本次试验工况如表3所示。

表3 试验工况

1.4 加载装置

采用慢速维持加载法施加水平荷载,水平荷载由液压千斤顶施加,通过XL-2116A型测力计(最小量程为1kN)确定每级施加的荷载。每一级荷载施加大小为500N,分十级加载最终荷载为5000N。百分表用磁力架固定在受力方向的中心点处。每级荷载施加后,隔5min观察位移值,若前后读数变化范围小于0.01mm,即视为稳定,并记录桩身截面的应变片数据。加载装置示意图如图4所示。

图4 水平静载试验装置

为了测得FRP布的抗弯刚度EI,利用自平衡反力架对模型桩进行弯曲试验,将模型桩两端放置于反力架支架的槽口,控制每级荷载增量为0.5kN。抗弯刚度试验如图5所示。

图5 抗弯刚度试验

2 试验结果分析

2.1 模型桩抗弯刚度试验结果

通过静态应变仪记录荷载作用下桩身截面的应变,然后利用强度理论计算桩的抗弯刚度[17],结果如表4所示。

表4 各桩抗弯刚度测定值

相较于RC桩,不同类型的FPR布桩抗弯刚度均有很大程度的提升,CG1、G1、G2、G3、B1、C1桩的桩身刚度分别提高了36.0%、16.0%、29.9%、40.4%、22.0%、27.6%。对于单层FRP布桩,包裹CFRP布的提升效果最优;混合包裹CFRP布和GFRP布的提升效果要优于包裹双层GFRP布;对比G1、G2、G3桩,桩身抗弯刚度随包裹层数的增加呈非线性增加。

2.2 不同包裹层数对FRP布桩水平承载性能的影响

2.2.1 水平位移分析

根据模型试验结果,得到不同包裹层数FRP布桩的水平荷载-位移曲线如图6所示。当荷载较小时,FRP布尚未发生作用,桩顶的位移呈线性增加。荷载继续增大时,FRP布发挥包裹作用,减小了FRP布桩的水平位移。当荷载达到5kN时,RC、G1、G2、G3桩的桩顶水平位移分别为15.88、13.99、12.35、11.85mm。G1、G2、G3桩的桩顶水平位移分别比RC桩减小了11.9%、22.2%、25.3%,G3桩的桩顶水平位移比G1桩减小了15.2%。随着包裹层数的增加,FRP布桩水平承载力随之增加。

图6 不同包裹层数FRP布桩水平荷载-位移曲线

在相同水平荷载作用下,随着桩身包裹GFRP布层数增加,桩顶水平位移不断减小。单桩的水平承载力主要由桩身抗弯刚度和桩周土体抗力决定。由于GFRP布的弹性模量是RC模型桩的3.8倍左右,桩身抗弯刚度随布包裹层数的增加逐渐增大。在受荷载时,布的约束作用可以承受部分变形,并分担受拉区所受到的作用力。随包裹层数的增加,对混凝土的束箍作用也增大,桩的水平承载力随之提高。GFRP布桩水平承载性能随着包裹层数的增加而提升,与普通RC桩相比,GFRP包裹1层、2层、3层的桩顶水平位移分别减小了11.9%、22.2%、25.3%。随着包裹层数的增加,水平位移的减小幅度逐渐减缓,原因是随着纤维布包裹层数增多,纤维层之间粘结质量越不容易得到保证,影响各纤维层的应力分配,部分纤维布的强度没有完全发挥,造成纤维布的利用程度越低。

2.2.2 桩身弯矩分析

根据水平静载试验数据,计算得到不同包裹层数FRP布桩在5kN水平荷载时的桩身弯矩分布曲线如图7所示。

图7 5kN水平荷载下不同包裹层数FRP布桩桩身弯矩分布曲线

随着包裹层数的增加,桩身的最大弯矩减小。RC、G1、G2、G3桩的桩身最大弯矩分别为535.51、481.95、457.8、434.95N·m。G1、G2、G3桩的桩身最大弯矩分别比RC桩减小了10.01%、14.51%、18.77%,G3桩的桩身最大弯矩比G1桩减小了9.75%。弯矩随着桩埋置深度的增加先增大后减小,在桩身底部附近趋近于0。桩身最大弯矩约在桩身1/3处,符合弹性长桩的桩身弯矩分布规律,且桩身最大弯矩所对应的埋置深度不随包裹层数的改变而发生变化。在承受相同水平荷载作用下,桩身的弯矩值随着包裹层数的增加而减小。

2.3 不同布材类型对FRP布桩水平承载性能的影响

2.3.1 水平位移分析

根据水平静载试验结果,得到不同布材类型FRP布桩的水平荷载-位移对比曲线如图8所示。当荷载达到5kN时,RC、G1、B1、C1桩的桩顶水平位移分别为15.88、13.99、13.49、12.82mm。G1、B1、C1桩的桩顶水平位移分别比RC桩减小了11.9%、15.05%、19.26%,C1桩的桩顶水平位移比G1、B1桩分别减小了8.36%、4.97%。在相同水平荷载作用下,C1桩的水平承载性能最佳,表明CFRP布对于FRP布桩的水平承载性能的提升效果最好。

图8 不同布材类型FRP布桩水平荷载-位移曲线

在加载初期,各试验桩的水平位移增长趋势基本一致,当桩身荷载达到1.5kN作用后,G1、B1、C1桩的水平位移的增长趋势明显要比RC桩平缓,说明在RC桩周包裹不同类型的FRP布,均可减小桩顶的水平位移并减缓加载后期位移的增长速率,提高桩体的水平承载性能。其中CFRP布的提高幅度最大,BFRP布次之,GFRP布最小。产生这种现象的原因是,FRP布为线弹性材料,其对桩体水平承载能力的贡献随着受拉区应变的增大而增大,CFRP布的弹性模量要比BFRP布和GFRP布大得多,对桩约束效果最明显。

2.3.2 桩身弯矩分析

不同布材类型FRP布桩在5kN水平荷载时的桩身弯矩分布曲线如图9所示。

图9 5kN水平荷载下不同布材类型FRP布桩桩身弯矩分布曲线

图9中,RC、G1、B1、C1桩的桩身最大弯矩分别为535.51、481.95、473.65、438.83N·m。G1、B1、C1桩的桩身最大弯矩比RC桩分别减小了10.01%、11.55%、18.05%,C1桩的桩身最大弯矩比G1、B1桩减小了8.95%、7.35%。弯矩随着桩埋置深度的增加先增大后减小,埋置深度1.5m处接近于0。桩身最大弯矩处约在桩身1/3处。在承受相同的水平荷载作用下,桩身的弯矩GFRP布桩最大,BFRP布桩次之,CFRP布桩最小。

2.4 混合包裹对FRP布桩水平承载性能的影响

2.4.1 水平位移分析

根据水平静载试验结果,得到混合包裹(CFRP布+GFRP布)FRP布桩的水平荷载-位移曲线如图10所示。

图10 混合包裹FRP布桩的水平荷载-位移曲线

由图10可以看出,当荷载达到5kN时,RC、CG1、G2桩的桩顶水平位移分别为15.88、11.83、12.35mm。CG1、G2桩的桩顶水平位移分别比RC桩减小25.5%、22.22%,CG1桩的桩顶水平位移比G2桩减小了4.2%,在相同水平荷载作用下,CG1桩的水平承载性能要略优于G2桩,表明GFRP布+CFRP布混合包裹的提升效果要优于包裹2层GFRP布。从纤维受力角度分析,在纤维受到拉力时,断裂是一个排列发生的过程,当CFRP布达到极限受力状态开始产生裂纹时,延伸率较高的GFRP布可以承受由延伸率较低的CFRP布断裂而引起的额外荷载,使CFRP布的强度得到充分发挥。所以,与包裹2层GFRP布的方式相比,混合包裹的方式对于FRP布桩的水平承载性能的提升效率要更高。

2.4.2 桩身弯矩分析

混合包裹FRP布桩在5kN水平荷载时的桩身弯矩分布对比曲线如图11所示。RC、CG1、G2桩的桩身最大弯矩分别为535.5、412.06、457.85N·m。CG1、G2桩的桩身最大弯矩分别比RC桩减小了23.05%、14.5%,CG1桩的桩身最大弯矩比G2桩减小了10.01%。在承受相同的水平荷载作用下,包裹2层GFRP布FRP布桩的桩身弯矩要大于混合包裹的FRP布桩。

图11 5kN水平荷载下的混合包裹FRP布桩桩身弯矩分布曲线

3 数值模拟分析

采用ABAQUS有限元软件对FRP布加固钢筋混凝土桩的效果进行模拟,并进行试验结果和模拟结果的对比分析。

3.1 有限元模型的建立

土体模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,桩身混凝土选用塑性损伤模型[18]。钢筋选用线弹性模型。FRP材料选用各向异性的线弹性模型,在网格模块(mesh)中将FRP布材定义为单层板。ABAQUS材料属性中需要输入单层板参数E1、E2、v12、G12、G13、G23的取值如表5所示。FRP布和桩身之间采用tie约束,钢筋与混凝土之间采用embeded约束。桩侧和桩底接触分别定义切向接触和法向接触。模型网格划分后如图12所示。

表5 FRP布有限元模型参数取值

图12 有限元模型网格划分

3.2 模拟结果分析

3.2.1 荷载-位移曲线

通过ABAQUS软件建立与试验桩等尺寸的模型,得到荷载-位移曲线如图13所示。

图13 水平荷载-位移曲线

根据荷载-位移曲线,当荷载达到5kN时,CG1、G1、G2、G3、B1、C1、RC桩的桩顶水平位移分别为11.53、12.25、11.75、11.18、12.02、11.80、14.92mm。CG1、G、G2、G3、B1、C1桩的桩顶水平位移分别比RC桩减小了22.72%、17.90%、21.25%、25.07%、19.43%、20.91%。数值模拟FRP布加固RC桩的效果与试验结果基本相同,模拟值与试验值误差百分比在±2.54%～±12.43%之间。

各试验桩的有限元模拟结果与试验结果有一定程度上的误差,这是由于数值模拟中简化了一些工况,比如:将土体的属性简化为理想弹塑性模型、将土体视为单一均质土体、FRP布粘贴效果过于理想化等。

3.2.2 弯矩曲线

经过数值模拟计算,得到5kN水平荷载下的桩身弯矩曲线如图14所示。

当荷载达到5kN时,CG1、G、G2、G3、B1、C1、RC桩的桩身最大弯矩分别为410.11、464.07、424.12、388.11、448.81、428.88、363.22N·m,模拟值与试验值误差百分比在2.27%～10.78%之间。

从图14中可以看出,各桩试验结果与数值模拟结果的桩身最大弯矩值差别不大,但最大弯矩值的位置有所不同,各试验桩身最大弯矩约在桩长的1/3处,数值模拟最大弯矩值约在2/5处,均符合弹性长桩的分布规律。

4 结论

本文考虑桩顶位移、桩身弯矩以及桩身刚度等指标,研究了FRP布混合包裹、不同包裹层数、不同布材类型对FRP布桩水平承载性能的影响,同时结合有限元模拟软件ABAQUS建立等尺寸模型,得出以下结论:

(1)根据G1、G2桩和G3桩试验结果发现,相同桩径的FRP布桩水平承载性能随着FRP布包裹层数的增加而提升。G1、G2、G3桩的桩顶水平位移分别比RC桩小了11.9%、22.2%、25.3%,G3桩的桩顶水平位移比G1桩小了15.2%,G1、G2、G3桩的桩身最大弯矩分别比RC桩减小了10.01%、14.51%、18.77%,G3桩的桩身最大弯矩比G1桩减小了9.75%。

(2)不同布材类型的FRP布桩中,CFRP布对于FRP布桩的水平承载性能的提升效果最好。G1、B1、C1桩的桩顶水平位移分别比RC桩小了11.9%、15.05%、19.26%,C1桩的桩顶水平位移比G1、B1桩分别小了8.36%、4.97%。G1、B1、C1桩的桩身最大弯矩分别比RC桩减小了10.01%、11.55%、18.05%,C1桩的桩身最大弯矩比G1、B1桩减小了8.95%、7.35%。

(3)混合包裹的提升效果要略优于包裹2层GFRP布。CG1、G2桩的桩顶水平位移分别比RC桩小了25.5%、22.22%,CG1桩的桩顶水平位移比G2桩小了4.2%,CG1、G2桩的桩身最大弯矩分别比RC桩减小了23.05%、14.5%,CG1桩的桩身最大弯矩比G2桩减小了10.01%。

(4)模型桩有限元模拟得到的水平荷载-位移曲线与桩身弯矩分布曲线与试验结果拟合较好,弯矩随着埋置深度的增大先增大后减小,最大弯矩约出现在桩长的2/5处,符合弹性长桩的桩身弯矩变化规律。结果证明,采用ABAQUS软件模拟FRP布加固RC桩是可行的。