BFRP約束損傷鋼筋混凝土圓柱軸壓力學性能研究*

馬 高， 鄒雅峰， 何慶鋒， 武龍飛

(1 湖南大學土木工程學院，長沙 410082；2 工程結構損傷診斷湖南省重點實驗室(湖南大學)，長沙 410082)

0 引言

近年來，纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer，FRP)以其高強、輕質及耐腐蝕等優點，被廣泛應用于混凝土結構的加固修復。玄武巖增強復合材料(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)由玄武巖石料高溫熔融后，采用特殊工藝拉絲而成，生產工藝較為成熟環保，且相比于碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等復合材料，玄武巖纖維成本較低。在提倡可持續發展的今天，玄武巖纖維有著廣闊的應用空間。

目前，針對FRP約束混凝土柱的軸壓力學性能試驗已開展較多[1-5]，但已有研究主要針對FRP約束完好混凝土柱，而實際加固工程中，混凝土結構可能因地震、爆炸、沖擊等不利荷載作用已遭受一定的損傷，因此，研究初始損傷對FRP約束混凝土柱力學性能的影響具有重要的理論與工程意義。但已有文獻中涉及FRP約束損傷混凝土柱的研究很少。Mesbah和Benzaid[6]對RC圓柱分別軸壓預加載至峰值應力的40%，60%，80%和100%，卸載包裹FRP后再次進行軸壓試驗，試驗結果表明：預損傷對碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)約束RC圓柱的極限應變和極限強度影響較小。Cui[7]研究了損傷混凝土圓柱(軸壓預加載至峰值應力的80%)經FRP修復后的軸壓力學性能，試驗表明，初始損傷對FRP約束混凝土圓柱的應力-應變關系影響很小，但初始損傷會降低FRP約束圓柱的橫向變形能力。王震宇等[8]研究了不同損傷水平(分別軸壓預加載至峰值應力的40%和80%)對CFRP約束RC方柱軸壓力學性能的影響，試驗發現，預損傷對CFRP約束RC方柱的極限應變和極限強度影響很小，僅當損傷水平較大時(軸壓預加載至峰值應力的80%)，其極限強度和極限應變才略有降低。Ma等[9]對混凝土方柱分別軸壓預加載至峰值應力的85%和100%及下降段峰值應力的90%，包裹FRP后再次進行軸壓試驗，試驗結果表明：預損傷對FRP約束混凝土方柱的極限強度和極限應變影響很小，而對初始剛度有較明顯的不利影響。

綜上可知，已有試驗研究中混凝土柱的初始損傷水平較低，而實際工程中的柱在地震、爆炸、沖擊等不利荷載作用下損傷可能較嚴重，導致混凝土受壓進入下降段。因此本文開展BFRP約束較大損傷水平RC圓柱的軸壓試驗，研究較大初始損傷對BFRP約束RC圓柱軸壓力學性能的影響規律，并建立考慮初始損傷影響的BFRP約束RC圓柱的強度模型和極限應變模型。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗共設計22個直徑242mm、高度726mm的混凝土圓柱體試件，其中包括20個RC圓柱和2個素混凝土圓柱。設計的混凝土強度等級為C30，水、水泥、砂和粗骨料配合比為0.52∶1∶1.38∶2.46，粗骨料最大尺寸為15mm。試驗時測得混凝土圓柱體試塊(直徑150mm、高度300mm)抗壓強度為28.7MPa。試件縱筋采用HRB400級鋼筋，縱筋配筋率為1.5%；箍筋采用HPB300級鋼筋，體積配箍率為0.47%和0.94%。采用Mirmiran[10]定義的修正約束比(Modified Confinement Ratio，MCR)計算BFRP在中等約束和強約束中的包裹層數，分別為3層和6層。為防止試件加載時出現端部破壞，采用試件上下兩端多包裹1層寬100mm BFRP的方式進行加固。采用單向玄武巖纖維布。試件尺寸及配筋見圖1，鋼筋及BFRP材料力學性能見表1。

圖1 RC圓柱試件尺寸及配筋鋼筋及BFRP的力學性能

表1

1.2 加載設備及過程

加載設備采用10 000kN剛性壓力機，軸向位移通過布置在試件中部的4個位移傳感器測量，測量標距為350mm(圖2)；BFRP環向應變通過沿環向均勻布置的應變片測量。加載設備及測量裝置見圖2。

圖2 加載設備及測量裝置

1.3 試件預損傷與修復加固

考慮4種預損傷水平，分別為預加載至應力-應變曲線峰值應力fcc′及下降段0.925fcc′，0.850fcc′和0.775fcc′，以此代表輕微損傷、中度損傷、較嚴重損傷和嚴重損傷，分別用D1，D2，D3及D4表示，見圖3，試件的預損傷情況如圖4所示。預加載試件卸載后，移除試件表層損傷的混凝土并用早強水泥砂漿修補，然后包裹BFRP，養護后再次進行軸壓試驗。試件修復及包裹BFRP后如圖5所示。

圖3 試件預損傷狀態

圖4 試件預損傷狀態

圖5 試件修復及BFRP加固試件參數及試驗結果

2 試驗結果與破壞模式

2.1 試驗結果

本文對22個混凝土圓柱開展軸壓試驗，試驗結果及具體參數見表2。

表2

2.2 破壞模式

試件均因BFRP突然炸裂而破壞，并伴隨碎混凝土崩出，BFRP在中部較大區域內同時被拉斷，發生較為明顯的脆性破壞，其中，BFRP約束素混凝土圓柱脆性更明顯。圖6為剝開BFRP外殼后的RC圓柱破壞現象，可發現試件內部大量混凝土被壓碎，中間破壞部位呈錐形，并且部分縱筋發生屈曲，部分箍筋被拉斷。

圖6 BFRP約束RC圓柱破壞模式

3 軸壓力學性能分析

3.1 BFRP約束對混凝土圓柱應力-應變曲線的影響

BFRP約束完好混凝土圓柱的應力-應變曲線見圖7。由圖7及表2可知：試件CH1L3D0，CH1L6D0，CH2L3D0，CH2L6D0的fcc′/fco′和εcc/εco值分別為1.8，2.7，7.6，12.4和1.7，2.6，7.0，12.0；表明BFRP約束完好RC圓柱的極限強度和極限應變均得到顯著提高，且隨包裹層數的增多，其提高作用越顯著。

圖7 BFRP約束完好混凝土圓柱應力-應變曲線

BFRP約束損傷RC圓柱的應力-應變曲線見圖8。由圖8及表2可知：1)試件CH1L6D0，CH1L6D1，CH1L6D2，CH1L6D3，CH1L6D4的fcc′/fco′和εcc/εc值分別為2.7，2.6，2.4，2.3，2.2和12.4，12.5，12.2，12.2，11.7。可見包裹相同層數BFRP，BFRP約束損傷RC圓柱的極限強度隨著RC圓柱損傷水平的增加而減小，而BFRP約束損傷RC圓柱的極限應變與RC圓柱的損傷水平卻無明顯規律，以上規律同樣適用于其他系列試件；2)預損傷RC圓柱的初始剛度隨著包裹層數增加并未有明顯的提高，故增加BFRP包裹層數并不能有效恢復預損傷RC圓柱降低的初始剛度。

圖8 BFRP約束損傷RC圓柱應力-應變曲線

此外，試驗實測BFRP橫向斷裂應變平均值約為BFRP材性試驗所測極限拉應變的52%，因此本文取BFRP有效拉應變為0.52。

3.2 鋼筋對BFRP約束RC圓柱應力-應變曲線的影響

為研究縱筋對BFRP約束RC圓柱應力-應變曲線的影響，根據縱筋的實測應變，扣除BFRP約束RC圓柱應力-應變曲線中縱筋對軸向承載力的貢獻，隨后將其與BFRP約束素混凝土試件的應力-應變曲線進行比較，見圖9。與未扣除縱筋對軸向承載力貢獻的BFRP約束RC圓柱應力-應變曲線相比，扣除縱筋對軸向承載力貢獻的RC圓柱極限強度更加接近于BFRP約束素混凝土圓柱極限強度，表明縱筋對BFRP約束RC圓柱的軸向承載力具有明顯的提高作用。

箍筋約束使核心混凝土處于三軸受壓的狀態，對試件的強度和延性均有不同程度的提高。扣除縱筋對軸向承載力貢獻的BFRP約束RC圓柱的應力-應變曲線僅受配箍率和BFRP層數的影響，比較相同BFRP層數不同配筋率的試件，從圖9中可以發現：1)試件CH1L3D0和試件CH2L3D0扣除縱筋對軸向承載力貢獻后的極限強度和極限應變相對于素混凝土試件CH0L3D0提高了8.0%，2.5%和13.0%，4.9%；2)試件CH1L6D0和試件CH2L6D0扣除縱筋對軸向承載力貢獻后的極限強度和極限應變相對于素混凝土試件CH0L6D0提高了11.0%，5.8%和8.6%，5.5%，可見配箍率對BFRP約束RC圓柱極限強度和極限應變均有較明顯的提高，因此在建立強度模型以及極限應變模型時不可忽略箍筋的作用。

圖9 扣除縱筋貢獻前后應力-應變曲線對比

4 強度模型與極限應變模型

4.1 BFRP約束完好RC圓柱強度模型與極限應變模型

對于FRP約束混凝土，其強度和極限應變模型可以寫成下列表達式[1,11]：

(1)

(2)

式中：k1為約束有效性系數；k2為應變增強系數；m和n為常數；fl為FRP提供的環向約束應力，由下式確定：

(3)

式中：Ef為FRP彈性模量；n和tf分別為FRP層數及厚度；εfe為FRP有效斷裂應變，對于BFRP由3.1節分析取εfe=0.52εfu，εfu為FRP的極限應變，本文BFRP的εfu為2.4%。

已有的強度模型與極限應變模型，大多是對式(1)，(2)中的k1，k2，m和n進行修正得到。但由3.1節與3.2節分析可知，對于BFRP約束RC圓柱，箍筋約束與BFRP約束對極限應力和極限應變的影響并不完全相同，二者不可直接相加。因此在建立BFRP約束RC圓柱強度模型與極限應變模型時，應分別考慮BFRP和箍筋約束的影響。基于3.1節與3.2節分析對試驗結果進行擬合，提出BFRP約束完好RC圓柱的強度模型和極限應變模型，分別為：

(4)

(5)

式中：ρs為縱筋配筋率；fy為鋼筋屈服強度；fls為箍筋對混凝土的環向有效約束應力，由下式確定：

fls=0.5keρshfyh

(6)

式中：ρsh為體積配箍率；fyh為箍筋屈服強度；ke為箍筋有效約束系數，由下式確定：

(7)

式中：s′為箍筋凈間距；ds為圓柱中箍筋約束核心直徑；ρcc為箍筋約束核心區的縱筋配筋率。

表3為BFRP約束完好混凝土圓柱fcc′和εcc的試驗結果與計算結果的比較。可見，計算的極限抗壓強度fcc′和極限應變εcc與試驗結果接近，最大誤差分別為5.0%，5.1%。因此，本文提出的BFRP約束完好RC圓柱的強度模型與極限應變模型具有較高的精度。

fcc′和εcc的試驗結果與計算結果的比較 表3

4.2 BFRP約束損傷RC圓柱強度模型與極限應變模型

為考慮初始損傷水平對BFRP約束RC圓柱極限抗壓強度和極限應變的影響，本節引入損傷影響系數αd和βd來修正式(4)，(5)，修正后的模型可寫成下面的形式：

(8)

(9)

式中：fcc,d′為BFRP約束損傷混凝土的極限抗壓強度；εcc,d為對應fcc,d′的極限應變。

對于不同損傷水平的混凝土柱，其損傷水平可按下式定義[12]：

(10)

式中：dc,s為基于面積的損傷演化參數；SΔOCB為應力-應變曲線和X軸所包圍的面積；SΔOAB為三角形OAB的面積(SΔOAB=1/2EcoεB2)，見圖10。

圖10 SΔOCB和SΔOAB的定義

由表2可知，隨著損傷水平的增加，BFRP約束損傷RC圓柱的極限抗壓強度逐漸減小，表明αd與dc,s具有一定的相關性，經回歸分析，得到αd與dc,s的關系，如式(11)所示。但損傷水平對BFRP約束RC圓柱的極限應變影響不大，因此本文建議βd的值取1.0。

αd=1-0.42dc,s2-0.061dc,s

(11)

βd=1.0

(12)

將式(11)代入式(8)，將式(12)代入式(9)，可得到本文考慮初始損傷影響的強度模型和極限應變模型，采用該強度模型和極限應變模型計算BFRP約束損傷混凝土圓柱的極限抗壓強度與極限應變，并與試驗結果比較，見表4。比較結果表明：極限抗壓強度的最大誤差為8.5%，極限應變的最大誤差為10.8%，均表現出良好的預測精度。因此，本文提出的考慮損傷的強度模型和極限應變模型可以有效預測BFRP約束損傷混凝土的極限抗壓強度和極限應變。

5 結論

本文對BFRP約束混凝土圓柱開展軸壓試驗，研究鋼筋、BFRP層數及初始損傷對BFRP約束RC圓柱軸壓力學性能的影響，得出如下結論：

fcc,d′和εcc,d的試驗結果與計算結果的比較 表4

(1)縱筋對RC圓柱的極限強度有較明顯貢獻，箍筋對RC圓柱的極限強度和極限應變均有較明顯貢獻，因此在建立強度模型以及極限應變模型時不應忽略鋼筋(縱筋與箍筋)的影響。

(2)BFRP的約束可顯著增大RC圓柱的極限強度和極限應變；但無法恢復RC圓柱因損傷而降低的初始剛度。

(3)損傷會降低BFRP約束混凝土圓柱的強度和初始剛度，且隨著損傷水平的增加，其降低程度增大。

(4)建立了考慮鋼筋、BFRP層數及初始損傷影響的強度模型和極限應變模型，模型預測結果與試驗值吻合良好。