BFRP筋軸心受壓性能研究及破壞模式分析

呂增奎 李 峰 佘殷鵬

(1.中國人民解放軍理工大學，江蘇 南京 210007； 2.河海大學，江蘇 南京 210000)

BFRP筋軸心受壓性能研究及破壞模式分析

呂增奎1李 峰1佘殷鵬2

(1.中國人民解放軍理工大學，江蘇 南京 210007； 2.河海大學，江蘇 南京 210000)

對BFRP筋的軸壓性能進行了試驗研究，測試了BFRP筋抗壓強度、彈性模量、極限應(yīng)變等主要力學性能，并對BFRP筋的軸心受壓過程和破壞模式進行了分析，為工程應(yīng)用提供了參考。

BFRP筋，軸心受壓，端部約束，破壞模式

0 引言

目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)大量應(yīng)用于土木工程建設(shè)中，但由于其結(jié)構(gòu)自重大、鋼筋耐腐蝕性能低等缺陷，嚴重影響了結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命[1]。自20世紀80年代以來，國外研究人員開始利用纖維增強復(fù)合材料(FRP)筋來替代鋼筋加固混凝土的新型結(jié)構(gòu)，有效彌補了此類不足[2]。FRP是一種聚合物基復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強及耐腐蝕等優(yōu)良性能[3]。在混凝土柱結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP縱筋主要承受軸向壓應(yīng)力，但當前對FRP筋受力性能的研究主要集中在拉伸性能方面，而對FRP筋受壓性能的研究略顯不足[4，5]，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用帶來了不便。

本文以拉擠成型BFRP筋為研究對象，通過設(shè)計端部約束裝置，模擬了受壓BFRP筋的實際工作狀態(tài)，開展了BFRP筋軸心受壓試驗，得到了其軸壓性能和破壞模式。所得成果對實際工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用具有一定參考意義。

1 試驗

1.1 試件設(shè)計

試驗采用的BFRP筋內(nèi)徑為8 mm，肋間距(相鄰兩個橫肋中

心距)為1倍直徑，肋深度(筋材在肋變形處直徑與相鄰變形中間點直徑的一半)為直徑的6%，見圖1。BFRP軸壓試件尺寸及基本參數(shù)見表1，試件數(shù)量為7，編號依次為B1～B7。

表1 試件尺寸及基本參數(shù)

1.2 夾具設(shè)計

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，無約束BFRP筋在壓縮過程中，端部纖維與樹脂發(fā)生脫粘，纖維絲呈放射狀展開，破壞形式與實際結(jié)構(gòu)中BFRP筋的破壞形式不符，如圖2所示。

為了模擬出BFRP混凝土縱筋的實際工作狀態(tài)，試驗設(shè)計了端部約束裝置并固定在試件兩端。端部約束裝置尺寸及實物如圖3所示。

1.3 試驗方法

試驗加載設(shè)備選用美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的CDT1504微機控制電子壓力試驗機，荷載與位移數(shù)據(jù)由試驗機傳感器自動采集。試驗過程中的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)通過DH5902動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集，應(yīng)變片在試件中部兩側(cè)對稱粘貼，在此之前需對粘貼位置進行打磨。試件破壞過程通過高速攝像機記錄，以便觀察試件的破壞過程。軸壓試驗參照GB/T 1448—2005纖維增強塑料壓縮性能試驗方法和GB/T 1446—2005纖維增強塑料性能試驗方法總則進行。考慮到加載速率對其破壞模式和抗壓強度的影響，B1～B5試件以2 mm/s的標準加載速度加載，B6,B7試件以1 mm/s的加載速度進行加載。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

為了得出BFRP筋抗壓性能，需要根據(jù)軸壓試驗所得數(shù)據(jù)對BFRP筋的抗壓強度和軸壓彈性模量進行計算。

BFRP筋抗壓強度：

(1)

其中,σc為抗壓強度；p為極限荷載；s為截面面積；D為內(nèi)徑。

軸壓彈性模量：

(2)

其中，ε″=0.003，ε′=0.001，σ″與σ′為ε″與ε′ 對應(yīng)的軸壓應(yīng)力。BFRP筋軸壓性能參數(shù)見表2。

表2 實測BFRP筋軸壓性能參數(shù)

試驗結(jié)果表明，BFRP筋的抗壓強度處于430 MPa～560 MPa之間，高于《混凝土設(shè)計規(guī)范》中普通HRB400鋼筋的抗壓強度標準值(360 MPa)，滿足了結(jié)構(gòu)的使用要求。BFRP筋極限應(yīng)變均超過9 000 με，遠大于混凝土破壞時的極限壓應(yīng)變3 300 με，能夠使BFRP筋在BFRP筋混凝土承壓結(jié)構(gòu)中混凝土部分壓碎前保持完好。

2.2 荷載—位移曲線分析

BFRP筋荷載—位移曲線如圖4所示。BFRP筋在加載至破壞的過程中，B1～B7的荷載—位移曲線均呈現(xiàn)線性關(guān)系，無屈服階段，表明BFRP筋為良好的線彈性材料。不同軸壓速率對B1～B5和B6,B7兩種不同軸壓速率下試件的荷載—位移曲線無明顯影響。

2.3 應(yīng)力—應(yīng)變曲線分析

BFRP筋的軸壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出達到某一應(yīng)變前，應(yīng)力—應(yīng)變基本符合線性規(guī)律。在此階段之后，應(yīng)變值突然減小，而此時的應(yīng)力值尚未達到極限應(yīng)力。隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變值呈減小趨勢。這是由于應(yīng)變片貼在兩肋間凸起部位，加載初期，小應(yīng)力下纖維與樹脂粘結(jié)良好，兩者的應(yīng)變協(xié)調(diào)，貼片處的應(yīng)變與筋材整體應(yīng)變保持一致。隨著荷載的不斷增加，筋材的縱向收縮和橫向膨脹導(dǎo)致兩凹肋間的凸起部位有向外鼓曲的趨勢，由于樹脂的抗彎、抗剪性能較差，當荷載到達某一值后，凸起處的樹脂被壓碎從而喪失對纖維的約束，纖維順勢向外鼓曲產(chǎn)生拉應(yīng)變，從而導(dǎo)致壓應(yīng)變的減小。由于樹脂是脆性材料，所以應(yīng)變的減小較為突然，而此時還未達到筋材的抗壓強度。隨著荷載的繼續(xù)增加，部分試件迅速到達破壞，部分試件的貼片處于軸向壓縮和橫向彎曲的共同作用下，應(yīng)變呈不規(guī)則變化直至試件破壞。因此應(yīng)變片測得的極限應(yīng)變值小于BFRP筋實際的極限應(yīng)變值。

2.4 破壞模式分析

B1～B5試件以2 mm/s的加載速率加載，發(fā)生劈裂破壞。由高速攝像機記錄的破壞過程可以看出在加載初期，筋材并無明顯變化。隨著荷載不斷增加，由于試件的橫向變形增大，樹脂與纖維間的橫向拉應(yīng)力增加，首先與粘結(jié)較差的薄弱點出現(xiàn)樹脂與纖維的分離，纖維略向外屈曲，試件縱向出現(xiàn)微裂縫并伴隨清脆連續(xù)的劈裂聲。隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫不斷擴展，當達到極限荷載時，試件出現(xiàn)多處劈裂，荷載呈直線下降。B6，B7試件以1 mm/s的加載速率加載，發(fā)生剪切破壞。破壞前的現(xiàn)象與B1～B5試件類似，當達到極限荷載時，伴隨巨大響聲，試件剪切破壞，破壞面與水平方向呈30°～50°。由于加載速率較小，試件破壞前的過程較為平緩，破壞發(fā)生時更加突然。

觀察BFRP筋試件破壞模式發(fā)現(xiàn)，B1～B5的破壞形式為劈裂破壞，B6，B7的破壞形式為剪切破壞。由于試件的長細比較小，所有試件均未發(fā)生彎折和彎曲破壞，破壞形式均屬于強度破壞，所得到的結(jié)果能夠較真實的反映BFRP筋的軸壓性能。

3 結(jié)語

1)BFRP筋的抗壓強度處于430 MPa～560 MPa之間，且極限應(yīng)變均超過9 000 με，說明BFRP筋能夠替代傳統(tǒng)鋼筋用于受壓混凝土柱中。2)BFRP筋的應(yīng)力—應(yīng)變呈線性，破壞突然，為典型的脆性破壞。在對BFRP筋混凝土柱進行設(shè)計時，應(yīng)充分考慮BFRP筋的極限抗壓強度。3)軸壓速率能夠影響B(tài)FRP筋破壞模式，在不同加載速率下分別表現(xiàn)為劈裂破壞和剪切破壞，因此在對BFRP筋混凝土柱進行設(shè)計時需考慮服役環(huán)境對BFRP筋破壞模式的影響。

[1] 王茂龍，朱浮聲，金 延.纖維塑料筋(FRP筋)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].混凝土，2005(11)：17-23.

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[3] 吳松巖，宋巖升，王桂林，等.FRP筋在受壓構(gòu)件中的力學性能研究進展與前景分析[A].第十二屆沈陽科學學術(shù)年會論文集[C].2015.

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[5] 徐新生，紀 濤，顧 勇.FRP筋力學性能指標及試驗方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(11)：114-116.

Research on axial compression performance of BFRP bars and analysis of its damage model

Lv Zengkui1Li Feng1She Yinpeng2

(1.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.HohaiUniversity,Nanjing210000,China)

The paper has the experimental research on the axial pressure performance of BFRP bars, tests the main dynamic performance of the compressive strength, elastic modulus, and limiting strain of BFRP bars, and analyzes the axial pressure process and damage model for BFRP bars, so as to provide some reference for the engineering application.

BFRP bar, axial compression, end restraint, damage model

1009-6825(2017)21-0033-03

2017-05-18

呂增奎(1992- )，男，在讀碩士； 李 峰(1979- )，男，副教授； 佘殷鵬(1993- )，男，在讀碩士

TU317

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