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持載對FRP-混凝土-鋼雙壁空心柱軸壓承載能力影響
FRP(Fiber-reinforced polymer, 簡稱FRP或“復材”)是一種高性能樹脂基復合材料,根據(jù)纖維種類不同一般分為碳纖維FRP(CFRP)、玻璃纖維FRP(GFRP)、玄武巖纖維FRP(BFRP)等[1-2].FRP-混凝土-鋼雙壁空心柱(FRP-concrete-steel double skin tubular column,簡稱DSTC或“雙壁空心柱”)是由香港理工大學滕錦光教授提出的一種新型組合結(jié)構(gòu),由外FRP管、內(nèi)鋼管以及填充在兩者之間的混凝土夾層組成[3-4].在DSTC內(nèi),由于內(nèi)側(cè)鋼管與外側(cè)FRP管能對混凝土形成約束使混凝土處于三向受壓狀態(tài),其強度及變形能力能獲得顯著提升,同時因鋼管的向外變形被混凝土及FRP 管約束,其向外的局部屈曲被抑制,鋼材強度利用率可獲得提升; 此外,FRP管及鋼管還可以作為施工時的模板,能節(jié)省支模費用、縮短施工工期; 在外側(cè)的FRP管還可以作為耐腐蝕保護殼保護內(nèi)側(cè)鋼管免受環(huán)境腐蝕.前期研究結(jié)果表明:軸壓時,雙壁空心柱具有良好的承載能力、變形能力及延性[5-8].偏心距增大時,承載力會有一定程度下降但變形能力會增加,雙壁空心柱仍具有較好的延性[9-10].FRP管的存在能夠使構(gòu)件的延性及耗能能力得到提升[11-12].綜上所述,DSTC結(jié)構(gòu)短期力學性能及變形性能十分優(yōu)異,具有良好的工程應用前景.
徐變現(xiàn)象在混凝土結(jié)構(gòu)中十分普遍.過大的徐變變形會對混凝土結(jié)構(gòu)造成諸多不利的影響[13].如影響結(jié)構(gòu)的正常使用等; 使偏心受壓柱產(chǎn)生附加彎曲,導致穩(wěn)定問題; 使鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)截面發(fā)生應力重分布,導致部分材料提前破壞.目前,學術(shù)界對于鋼管混凝土柱徐變性能研究較多.現(xiàn)有研究結(jié)果表明:鋼管混凝土柱與FRP約束混凝土柱在持載應力水平較低時,徐變變形與軸壓比呈線性關(guān)系,而處于較大持載應力水平時,徐變發(fā)展呈非線性關(guān)系[14-16].相對于未約束試件,FRP約束混凝土柱持載后的變形能力略有下降,但是承載力無明顯變化,長期變形明顯減小且徐變趨于穩(wěn)定狀態(tài)時間更短,一般60 d持載變形量已達到總變形量的70%及以上[17-20].
作者課題組在近期已成功將DSTC作為受力構(gòu)件應用于橋墩[21].將DSTC應用于橋墩等受力構(gòu)件時,持載期間的長期變形性能及持載對DSTC承載能力的影響亟待厘清.本文對DSTC柱經(jīng)長期持載后的軸壓力學性能進行了初步試驗研究,并與未持載試件進行了對比,分析了持載對試件的承載力、變形能力、初始剛度的影響.本文的研究成果對促進DSTC在工程中的應用有一定的參考價值.
1 試驗概況
為研究經(jīng)過長期持載后DSTC柱軸壓力學性能的變化情況,本研究共設(shè)計了11根較大尺寸組合短柱試件(包括持載組與對照組),如表1所示.試件編號含義如下:CFFT與DSTC分別表示兩種不同的結(jié)構(gòu)截面形式,其中CFFT為FRP管約束混凝土,DSTC為雙壁空心柱試件; 字母N表示此批次試件澆筑的均為普通C30混凝土; 字母G表示GFRP管,其后數(shù)據(jù)表示GFRP管的層數(shù); 0.3與0.4表示該試件核心混凝土初始試驗軸壓比(定義為混凝土應力與28 d圓柱體抗壓強度的比值); 第一個S表示鋼管,其后數(shù)據(jù)表示鋼管的壁厚(單位:mm),第二個S表示該試件設(shè)置了抗剪栓釘(環(huán)向8個,軸向每200mm布置一排); 試件編號尾部帶有*的試件表示該試件為不進行持載的對照試件.所有試件鋼管外徑均為219 mm,GFRP管內(nèi)徑為300 mm,高度均為900 mm,主要變化參數(shù)為GFRP管層數(shù)、鋼管厚度、試件持載軸壓比及是否布置栓釘.鋼管使用的鋼材設(shè)計強度等級為Q355C(參考DSTC橋墩[20]用鋼等級),混凝土設(shè)計強度等級為C30.試件主要如表1所示,構(gòu)件橫截面如圖1所示.前期持載試驗裝置如圖2所示,持載試驗步驟詳見趙程[21].軸壓破壞試驗在持載250 d后進行,加載裝置如圖3所示.
表1 試件主要參數(shù)
Tab.1 Main parameters of test specimens
圖1 試件截面示意圖
Fig.1 Cross section of specimens
圖2 持載及加載裝置圖.
Fig.2 Sustained loading device
圖3 加載裝置圖
Fig.3 Loading device
混凝土的材料性能試驗參考ASTM-C469/C469M-14[22]規(guī)范,具體試驗操作過程見趙程[21],測得混凝土28 d圓柱體強度、彈性模量以及泊松比分別為30.4 MPa、27.4 GPa、0.181.
本試驗所用鋼管為Q355C無縫鋼管,厚度有兩種,分別為6 mm和12 mm.參考GB/T 228.1-2010規(guī)范[23],每種厚度的鋼管沿縱向各切割了3根狗骨形試樣,具體實驗操作見趙程[21],測得鋼材屈服強度分別為402.5 MPa(6 mm厚)、382.9 MPa(12 mm厚); 彈性模量分別為215.8 GPa(6 mm厚)、212.8 MPa(12 mm厚); 泊松比分別為0.29(6 mm厚)、0.30(12 mm厚).
本試驗所采用的GFRP管為連云港中復連眾公司制造,主要有兩種厚度,分別為12層(名義厚度6 mm)以及6層(名義厚度3 mm)),纖維纏繞角度均為80°.參考柳欽試驗結(jié)果[24],6層及12層 GFRP管軸向強度分別為66.7 MPa、94.4 MPa; 6層及12層 GFRP管軸向彈模分別為12.8 GPa、15.1 GPa; 6層及12層 GFRP管環(huán)向彈模分別為41.7 GPa、41.5 GPa.
本研究試件軸壓加載在華南理工大學結(jié)構(gòu)實驗室1 000 t壓力機上進行,加載裝置如圖3所示.為測量試件的變形及應變,在CFFT及DSTC外GFRP管中部布置4對縱、橫應變片(沿周長均布),并且在DSTC試件內(nèi)鋼管外壁中部布置4對縱、橫應變片(沿周長均布),同時在GFRP管中部300 mm標距內(nèi)每隔90°安裝量程50 mm量程位移計共四個以測量中部軸向變形,此外還安裝了兩個位移計和用以測量試件全高軸向總變形.加載方式全程采用位移控制,參考柳欽[24]的軸壓試驗方案,軸向應變增長速率取10-5/s,位移加載速率取0.009 mm/s.在正式加載之前,需對試件進行預壓.施加10%的預估極限荷載,觀察軸向應變片讀數(shù),若試件上對稱位置2個軸向應變片數(shù)據(jù)之差10%以內(nèi)則證明試件對中.然后按照預先定好的加載速率進行正式加載,直到荷載下降至50%峰值荷載時停止加載.
2 試件破壞過程及破壞模態(tài)
部分試件的典型最終破壞模態(tài)如圖4所示.
圖4 典型破壞模態(tài)
Fig.4 Typical failure mode
試驗中觀察到的破壞過程為:柱身中部區(qū)域最先出現(xiàn)GFRP管泛白,接著會出現(xiàn)樹脂拉裂的聲音; 由于持載階段對GFRP管進行了開孔處理用以監(jiān)測混凝土徐變[21],使其有了一定初始缺陷,故在進行軸壓試驗之前對開孔區(qū)用水泥砂漿進行了填補,并纏繞與GFRP管相等剛度的CFRP布.此外,為防止端部效應導致GFRP管提前破壞,對GFRP管端部也進行了CFRP 條帶加固.在加載的過程中最先出現(xiàn)GFRP管纖維斷裂的位置為上述開孔部位所包CFRP布的上下兩端,隨著加載的進行,試件中部開始出現(xiàn)GFRP管纖維拉斷,核心混凝土受到擠壓呈現(xiàn)鼓出的趨勢,兩端GFRP也有拉斷現(xiàn)象.對比持載及未持載試件的破壞模態(tài)(圖4)發(fā)現(xiàn),二者基本無差別.
3 荷載-位移曲線
主要參數(shù)對試件的荷載-軸向應變曲線如圖5所示.圖中軸向應變由中部位移計測得位移轉(zhuǎn)換而來.
圖5 荷載-應變曲線(標“*”對比試件)
Fig.5 Load-strain curves(* refers to the reference specimen)
由圖5中可知:(1)持載對荷載-軸向應變曲線的趨勢的影響非常有限.(2)持載僅對同類試件極限狀態(tài)(最大荷載及對應軸向應變)有輕微的影響,但是規(guī)律不明顯,如:對CFFT試件,持載一般會小幅降低最大荷載及對應應變,見圖5(a); 對DSTC試件,持載一般會小幅增加承載力.具體而言,對GFRP層數(shù)較薄的DSTC試件(DSTC-N-G6-0.3-S6),持載后,其最大荷載有一定的提高,但是對應軸向應變卻明顯降低,見圖5(b); 當GFRP層數(shù)較多(DSTC-N-G12-0.3-S6)及鋼管厚度較大時(DSTC-N-G12-0.3-S12),持載一般使試件最大荷載及對應軸向應變均有小幅度增加,且僅GFRP厚度增加(鋼管厚度不增加),上述效應更加明顯; 增加軸壓比能增加最大荷載及對應應變,而布置抗剪焊釘能增加最大荷載對應應變.持載對關(guān)鍵試驗結(jié)果的影響見下一節(jié)(第4節(jié))討論.
4 關(guān)鍵試驗結(jié)果分析及討論
本研究的關(guān)鍵試驗結(jié)果如表2所示.圖6～8分別為最大荷載、最大荷載對應軸向應變、初始軸向剛度.需要說明的是,表2所示軸向剛度是通過荷載-軸向應變曲線初始上升段兩點(100 με與0.4Pt對應應變,Pt為初始線性段與后期線性段之間的轉(zhuǎn)折點,詳見趙程[21])之間的斜率近似估算確定.
表2 關(guān)鍵試驗結(jié)果
Tab.2 Key test results
圖6 最大荷載柱狀圖對比
Fig.6 Bar chart of maximum loads
圖7 最大荷載對應應變柱狀圖對比
Fig.7 Bar chart of axial strain at maximum load
圖8 初始軸向剛度
Fig.8 Bar chart of initial axial stiffness
由圖6可知,持載使CFFT試件承載力有微弱減小趨勢,但是使DSTC試件承載力有增加的趨勢(增加最大為軸壓比為0.4試件,增加20.4%).圖7顯示,持載使CFFT試件最大荷載對應應變有微小減小,而使DSTC試件最大荷載對應位移有微小增加的趨勢(GFRP層數(shù)為6層的試件除外).由圖8可知,持載后CFFT試件的初始剛度有明顯增加的趨勢(最大增加比例為43.9%),而使DSTC試件的初始剛度有小幅增加趨勢(最大增加比例為29.1%)或基本不變(如帶焊釘?shù)脑嚰拜SGFRP管層數(shù)6的試件).從表2可知,持載使GFRP管的開裂荷載及對應的應變有增加的趨勢(后者更加明顯),對CFFT試件此規(guī)律不明顯,可能原因在于持載階段,在GFRP管上開洞監(jiān)測混凝土徐變導致軸壓試驗中開裂應變增加.
5 結(jié)論
本文對6個較大尺寸持載試件(其中5個試件為DSTC,1個為CFFT試件)進行長期持載后的軸壓力學性能試驗,并將其與5個不持載的試件(其中4個試件為DSTC,1個為CFFT試件)進行了對比研究.從本文的試驗結(jié)果及其分析,可以得到如下結(jié)論:
(1)持載對DSTC及CFFT破壞模態(tài)幾乎沒有影響,兩種構(gòu)件在持載及未持載情況下,極限狀態(tài)均由GFRP管中部的纖維拉斷控制;
(2)持載對DSTC及CFFT荷載-軸向應變曲線的影響非常有限,基本不改變曲線的形狀及趨勢;
(3)持載使DSTC試件的承載力及變形能力均有較小幅度增加趨勢,且后者增加的幅度更加明顯; 持載使CFFT的承載力及變形能力有微小的降低; 持載使CFFT及DSTC的初始剛度均有增加的趨勢,但是存在試驗數(shù)據(jù)離散現(xiàn)象.
上述初步實驗結(jié)果表明:DSTC長期持載對其承載力及變形能力的影響非常有限,因此,在軸壓比為0.4及以內(nèi)時將其用于受力結(jié)構(gòu)長期持載時安全及可靠的.后期需要加強對大軸壓比持載后構(gòu)件力學性能的研究.
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