談膨脹混凝土柱軸心抗壓性能試驗(yàn)范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了談膨脹混凝土柱軸心抗壓性能試驗(yàn)參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

【摘要】為研究GFRP管（玻璃纖維增強(qiáng)聚合物）的管壁厚度以及膨脹劑摻量對(duì)GFRP管約束膨脹混凝土柱軸壓性能的影響，選定最優(yōu)配合比的膨脹混凝土灌注入GFRP管，形成約束膨脹混凝土柱。設(shè)計(jì)直徑200mm、高600mm的GFRP管約束膨脹混凝土柱，并進(jìn)行軸心抗壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖，觀察其破壞模式。得出結(jié)論：加入膨脹劑使GFRP管主動(dòng)約束混凝土，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，提高了結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能；并且，極限載荷理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

【關(guān)鍵詞】膨脹混凝土；GFRP管；軸心受壓；破壞模式；軸向承載力公式

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）作為一種新型的材料，有自重輕、抗拉強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)今建筑的主要結(jié)構(gòu)，耐腐蝕性差是嚴(yán)重缺陷，F(xiàn)RP的出現(xiàn)正好解決了建筑結(jié)構(gòu)面臨的問(wèn)題。將混凝土澆注到FRP管中，最早是由Mirmiran[1,2]提出，這種組合意義重大。它不僅節(jié)省了澆筑混凝土的模板，簡(jiǎn)化了建筑物和橋梁中柱結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程，而且提高了機(jī)械性能和耐腐蝕性。當(dāng)FRP約束混凝土柱承受軸向荷載作用時(shí)，與普通混凝土柱相比，該柱的承載力和延性有所提高。FRP的使用，使混凝土柱的承載能力和延性均有所提高。FRP約束混凝土的軸壓性能已得到廣泛研究，如FRP形狀[3-5]、FRP厚度[6]、纏繞角度[6]，部分填充或完全填充的FRP管[7]、以及鋼或FRP管[8]、FRP約束混凝土柱的抗壓強(qiáng)度和延性等。FRP還用于加固現(xiàn)有的混凝土柱[9,10]。與CFRP管相比，GFRP管因其價(jià)格較低而在約束混凝土柱中得到廣泛采用。許多實(shí)驗(yàn)開(kāi)始研究混凝土強(qiáng)度、加固比、荷載[11]、纖維纏繞天線(xiàn)[12]、內(nèi)部空心截面[13]、不同截面[14]、混凝土柱類(lèi)型[15]等影響因素對(duì)GFRP約束混凝土柱的力學(xué)性能的影響。GFRP約束柱也有許多理論分析，提出了用于預(yù)測(cè)GFRP約束混凝土柱壓縮性能的分段計(jì)算方程[16,17]。雖然已經(jīng)采取了許多措施來(lái)提高GFRP約束混凝土柱的抗壓能力，但仍然可能會(huì)得出GFRP與GFRP管和混凝土收縮或混凝土流動(dòng)性差的約束混凝土之間的隔離結(jié)果。曹旗等人[13]研究了CFRP約束混凝土中膨脹劑的影響。研究發(fā)現(xiàn)，膨脹混凝土的預(yù)應(yīng)力提高了CFRP約束混凝土柱的極限抗壓荷載。然而，對(duì)GFRP約束膨脹混凝土柱的研究卻很少。盡管對(duì)FRP約束混凝土柱的實(shí)驗(yàn)和分析研究已經(jīng)得到了廣泛的研究，但很少見(jiàn)到膨脹混凝土作為核心混凝土的應(yīng)用。膨脹摻加量對(duì)GFRP柱軸向壓縮性能的影響的研究非常有限。本試驗(yàn)通過(guò)GFRP約束混凝土圓柱的軸壓實(shí)驗(yàn)研究，研究GFRP管壁厚度、膨脹劑摻量等參數(shù)對(duì)GFRP約束混凝土圓柱軸壓性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1膨脹混凝土本試驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為（C40、C50）的膨脹混凝土，對(duì)膨脹混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、限制膨脹率、彈性模量進(jìn)行研究，膨脹劑通過(guò)內(nèi)摻方式，等質(zhì)量法替代水泥。通過(guò)試配結(jié)果，選取P12-40和P12-50兩個(gè)最優(yōu)配合比以及未摻加膨脹劑的P0-40和P0-50，制備GFRP管約束膨脹混凝土核心，抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、限制膨脹率和彈性模量對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。

1.2GFRP管約束膨脹混凝土柱軸心抗壓試驗(yàn)1.2.1試驗(yàn)概況該軸壓試驗(yàn)共有8根GFRP管試件。4根厚度為5mm的GFRP管，4根厚度為8mm的GFRP管，并在GFRP管下端部纏上1.5倍周長(zhǎng)的碳纖維布，防止加載時(shí)端部破壞。試件尺寸簡(jiǎn)圖如圖1所示，試件參數(shù)表見(jiàn)表2。1.2.2試件的制備制備GFRP管約束膨脹混凝土?xí)r，GFRP管可直接作為澆筑模板，GFRP管澆注混凝土?xí)r，從管口分?jǐn)?shù)次灌入，每次均用振搗棒振實(shí)，表面抹平以保證加載時(shí)均勻受力。澆筑效果如圖2。1.2.3實(shí)驗(yàn)裝置軸心受壓試件的加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置如圖3、壓力機(jī)及GFRP管約束膨脹混凝土試件如圖4所示。儀器使用廣東工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室10000KN壓力試驗(yàn)機(jī)，在試件半高處每隔90°貼上橫、縱應(yīng)變片，共8個(gè)應(yīng)變片，測(cè)試中間截面在加載過(guò)程中產(chǎn)生的軸向和環(huán)向應(yīng)變。在試件直徑兩端布置兩個(gè)10cm的位移計(jì)，用來(lái)測(cè)試加載過(guò)程中的縱向位移，試件上下端部纏繞FRP布，GFRP管上下兩面通過(guò)石膏整平，再在上下端墊鐵塊，壓在試件上表面，與壓力機(jī)的上承壓板接觸。壓力機(jī)以0.36mm/min的加載速度，對(duì)GFRP管混凝土柱進(jìn)行持續(xù)加載，直到破壞為止。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察同一配比混凝土在不同厚度的GFRP管壁厚度（5mm、8mm）條件下的破壞情況，觀察到，當(dāng)使用5mm的GFRP管時(shí)，試件破壞為細(xì)狀條帶，并大部分有混凝土渣漏出，且在斷口處玻璃纖維成粉狀，而采用8mm厚的玻璃鋼管破壞時(shí)，大部分呈現(xiàn)寬條帶裝，未有混凝土渣漏出，且里層包裹一層薄薄的白色GFRP纖維層。在GFRP管上下兩端纏繞3cm寬的碳纖維布，防止試件端部破壞，基本達(dá)到了預(yù)先設(shè)想的中部混凝土壓縮膨脹，破壞GFRP管的效果。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，圖5、圖6分別為P12-50-5和P12-50-8加載破壞圖。

2.2結(jié)果分析控制GFRP管的厚度，研究摻加膨脹劑的混凝土對(duì)比普通混凝混凝土在GFRP管約束條件下對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變的影響，C40試件和C50試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖7、圖8。⑴對(duì)比試件P0-40-5、P12-40-5的軸向應(yīng)變曲線(xiàn)和環(huán)向應(yīng)變曲線(xiàn)，可知加入膨脹劑的C40試件（P12-40-5軸向承載力比未加入膨脹劑試件（P0-40-5）的軸向承載力高。由于膨脹劑的加入使混凝土向外膨脹，外部的GRRP管的約束，使混凝土受環(huán)向應(yīng)力，提高了柱的軸心抗壓強(qiáng)度。⑵試件P0-40-8、P12-40-8，本組控制GFRP管的厚度為8mm，從圖7可以發(fā)現(xiàn)膨脹劑的摻入降低了結(jié)構(gòu)的極限抗壓強(qiáng)度，極限應(yīng)力降低了4.46%，軸向應(yīng)變環(huán)向應(yīng)變基本一致。由于8mm的GFRP管過(guò)厚，與壓力機(jī)的接觸面積變大，GFRP管本身承受軸向荷載的影響變大，由于GFRP管的抗壓性能較差，當(dāng)受到軸向荷載時(shí)，GFRP管先破壞，膨脹劑在8mm的GFRP管內(nèi)不能充分發(fā)揮其抗壓性能。⑶試件P0-50-5、P12-50-5，本組控制GFRP管的厚度為5mm，見(jiàn)圖8可發(fā)現(xiàn)膨脹劑的摻入提高了極限軸向應(yīng)力，相比無(wú)摻加略有增大，但效果并不明顯。⑷試件P0-50-8、P12-50-8，本組控制GFRP管的厚度為8mm，從圖8可以發(fā)現(xiàn)加入膨脹劑的試件相比無(wú)摻加膨脹劑的混凝土的極限軸力增大明顯。

3GFRP管軸壓柱的力學(xué)性能的理論研究

對(duì)于鋼管約束混凝土柱而言，其承載力計(jì)算方法有較為成熟的理論依據(jù)，而本次試驗(yàn)中的GFRP管約束膨脹混凝土柱的承載力計(jì)算方法至今沒(méi)有比較成熟和實(shí)用的理論依據(jù)和理論研究，因此根據(jù)普通鋼管混凝土柱的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算分析。GFRP管約束膨脹混凝土構(gòu)件屬于新興結(jié)構(gòu)，故GFRP管約束膨脹混凝土柱仍參照普通鋼管混凝土柱的承載力計(jì)算公式進(jìn)行近似計(jì)算。本文GFRP管約束膨脹混凝土的受力方式為全截面受壓方式，即GFRP管和混凝土同時(shí)受壓。核心混凝土受到軸壓應(yīng)力和徑向約束應(yīng)力的作用，在軸壓應(yīng)力σc下產(chǎn)生軸壓應(yīng)變?yōu)棣與c，由于泊松效應(yīng)混凝土產(chǎn)生橫向變形μR1：UR1=VcRεcc(式1)Vc為混凝土的泊松比，R為核心混凝土的半徑。核心混凝土在徑向應(yīng)力σR下產(chǎn)生的橫向壓縮變形為μR2：由變形協(xié)調(diào)條件可知，管的橫向應(yīng)變與管的環(huán)拉應(yīng)變相等，所以GFRP管的橫向變形為μ＇R1：GFRP管受到軸向壓力時(shí)，管與混凝土同時(shí)產(chǎn)生壓應(yīng)變?chǔ)與c，管由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生橫向變形μ＇R2：μ＇R2=VsRεcc(式3)根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，混凝土與GFRP管產(chǎn)生的變形一致，所以在壓GFRP混凝土柱時(shí)，μ1-μ2=μ＇R1+μ＇R2，將上述公式代入并整理得：[19]以上各式中，Vc、Vs分別為混凝土和GFRP管的泊松比，Ec、Es分別為混凝土和GFRP管的彈性模量。由公式可以得出在受到持續(xù)力加載時(shí)，當(dāng)混凝土的泊松比與GFRP管的泊松比的比例大于1時(shí)，管才對(duì)混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。在GFRP管混凝土柱全截面受力的情況下，當(dāng)核心混凝土的泊松比與GFRP管的泊松比大于1時(shí)，管內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，管承受軸向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力兩種應(yīng)力，由于軸壓應(yīng)力使GFRP管對(duì)核心混凝土的約束性能降低，當(dāng)GFRP管達(dá)到軸向和環(huán)向雙向承載力的極限狀態(tài)時(shí)試件破壞。引用Tsar-Wu[20]準(zhǔn)則計(jì)算GFRP管極限狀態(tài)下的應(yīng)力，設(shè)變量ξ，當(dāng)ξ>1時(shí)，GFRP管破壞。ξ的表達(dá)式為：[19-22]其中：fa為GFRP管軸心抗壓強(qiáng)度，fh為GFRP管環(huán)向抗壓強(qiáng)度，σa、σh以拉為正，壓為負(fù)。GFRP管為各向異性的線(xiàn)彈性材料，雙向應(yīng)力狀態(tài)下的管的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由廣義的胡克定律表示：上式中，Eh、Ea分別為GFRP管的環(huán)向和軸向彈性模量；νah、νha分別為GFRP管的環(huán)向、軸向泊松比，由Mirmiran的公式[21,23]計(jì)算出或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出。將公式⑺、⑻代入⑸，如果ξ≥1，則GFRP管破壞。GFRP管受到的軸壓應(yīng)力降低了GFRP管對(duì)混凝土的約束效果，但GFRP管承擔(dān)軸力進(jìn)一步彌補(bǔ)了約束效果的不足。GFRP管的拉應(yīng)力與其對(duì)混凝土的約束應(yīng)力：其中fsu為GFRP管的環(huán)向抗拉強(qiáng)度，t為管璧厚度，d為GFRP管的內(nèi)徑。混凝土的初始彈模，對(duì)于普通強(qiáng)度混凝土：f＇co為無(wú)約束混凝土圓柱體的軸心抗壓強(qiáng)度，f＇co與fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系式為[24]：f＇co為無(wú)約束混凝土圓柱體的軸心抗壓強(qiáng)度，fcu的單位為Psi，1000Psi=6.89MPa，一般情況下：根據(jù)現(xiàn)有強(qiáng)度計(jì)算公式，計(jì)算GFRP套管內(nèi)的混凝土截面的軸壓強(qiáng)度：f＇cc為GFRP管的軸心抗壓強(qiáng)度，f＇co為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，由公式可以看出GFRP管的軸心抗壓強(qiáng)度受GFRP管的對(duì)混凝土的約束應(yīng)力的大小和核心受壓混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度影響。GFRP管混凝土柱的軸壓承載力計(jì)算公式為：N=f＇ccA(式15)式⒂中f＇cc為GFRP管的軸心抗壓強(qiáng)度，A為管內(nèi)混凝土截面面積。把相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式中對(duì)比實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)值的差異見(jiàn)圖9。分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。可以看出，當(dāng)計(jì)算GFRP的軸向抗壓強(qiáng)度時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比值在0.74～1.04（標(biāo)準(zhǔn)偏差0.093）的范圍內(nèi)。當(dāng)考慮GFRP的軸向抗壓強(qiáng)度時(shí)，其在0.81～1.15（標(biāo)準(zhǔn)偏差0.106）的范圍內(nèi)。一般而言，后者的計(jì)算極限載荷與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，與前者相比更好。因此，建議在進(jìn)行極限荷載的理論計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮GFRP管的軸向抗壓強(qiáng)度，特別是對(duì)于大厚度GFRP約束。

4結(jié)論

本文通過(guò)將摻加膨脹劑的混凝土灌入厚度為5mm和8mm的GFRP管中，分析膨脹劑對(duì)GFRP柱力學(xué)性能的影響，以及GFRP管厚度對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的影響，并通過(guò)理論公式分析GFRP管結(jié)構(gòu)的受力情況，以及軸壓破壞所得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，通過(guò)理論和實(shí)際數(shù)據(jù)相結(jié)合再次驗(yàn)證了FRP管的軸壓力學(xué)公式，并得出以下結(jié)論：⑴膨脹劑替代率為12%，可達(dá)到C40和C50混凝土的目標(biāo)抗壓強(qiáng)度和最大膨脹率。⑵GFRP約束混凝土柱的破壞模式是脆性破壞，所有柱試樣都有GFRP纖維斷裂。⑶GFRP約束膨脹混凝土試件比GFRP約束的未摻膨脹混凝土試件具有更高的承載能力。⑷GFRP管的厚度對(duì)試件的應(yīng)變有正向影響。混凝土強(qiáng)度對(duì)GFRP約束混凝土柱軸壓強(qiáng)度的影響不明顯。⑸理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。這表明在實(shí)際計(jì)算中，應(yīng)特別考慮GFRP管的軸向抗壓強(qiáng)度。

【參考文獻(xiàn)】

[6]王強(qiáng)穩(wěn).FRP管鋼骨高強(qiáng)混凝土軸心受壓組合柱試驗(yàn)研究[D].東北大學(xué),2008.

[8]黃龍男,張東興,王榮國(guó),等.玻璃鋼管混凝土柱軸心壓縮本構(gòu)關(guān)系研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(7):31-34.

[9]周長(zhǎng)東,黃承逵.玻璃纖維聚合物約束混凝土圓柱簡(jiǎn)化分析模型[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,44(1):96-103.

[10]崔文濤.GFRP套管鋼筋混凝土柱軸壓力學(xué)性能研究[D].大連理工大學(xué),2007.

[11]王清湘,阮兵峰,崔文濤.GFRP套管鋼筋混凝土短柱軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2009,30(6):122-127.

[15]陳百玲,王連廣,秦國(guó)鵬.玻璃纖維增強(qiáng)材料管勁性鋼筋混凝土組合柱軸心受壓試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2011,41(10):1-5.

[16]王作虎,劉晶波,杜修力,等.FRP加固矩形截面混凝土柱在單軸軸壓荷載下考慮尺寸效應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2014(6):35-39.

[17]王連廣,秦國(guó)鵬,周樂(lè).GFRP管鋼骨高強(qiáng)混凝土組合柱軸心受壓試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2009,26(9):170-175.

[18]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[21]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-第3版[M].清華大學(xué)出版社,2003.

[22]魯國(guó)昌.FRP管約束混凝土軸壓性能研究[D].清華大學(xué),2005.

作者：李岱韓 姜海波 曲炎 陳穎 曹旗 單位：廣東工業(yè)大學(xué)