復材管纖維纏繞角度對約束混凝土軸壓性能的影響研究

鄢油纖 黃奕森 黃旖珩 周龍華

（華南農業大學）

0 引言

復合材料（以下簡稱：復材）與混凝土、鋼等傳統的建筑材料結合形成新型的組合結構用于土木工程新建結構中，是復材在土木工程領域應用一個極具潛力的方向[1]。而內填混凝土復材管柱(Concrete Filled FRP Tubes，CFFTs) 正是一種最典型的復材組合構件最基本的形式。其中，復材管既可以采用濕鋪法手工制作，也可以直接采用復材纏繞管。特別是后者，通常采用將復材纖維長絲在張力下纏繞在旋轉心軸上來制造管狀復材部件的生產方法[2-4]。在CFFTs 中，復材管不僅為混凝土核心提供外部約束，而且保護內部鋼筋和混凝土免受環境侵蝕[5]。

在CFFTs 中，纖維的鋪陳方向與管軸向的夾角一般接近90 度，而對于CFFTs 軸壓性能而言，纖維纏繞角度是最重要的影響因素之一[6-8]，因此，從CFFTs 應用的角度出發，基于不同纖維纏繞角度復材管的CFFTs 軸壓性能具有較大的研究價值[9]。但是，目前對于復材約束混凝土柱軸壓性能的研究主要集中于復材纖維纏繞角為±90°或接近±90°的情況，對于其他纖維纏繞角研究極少。本試驗針對以上問題，進行了三種典型的纖維纏繞角度（±80°、±60°和±45°）共9 個玻璃纖維復材管柱的軸壓試驗，分析纖維纏繞角度對CFFTs 軸壓性能的影響。

1 試驗準備

1.1 試件制作

本試驗采用由廣東省纖力玻璃鋼有限公司生產的玻璃纖維纏繞管，共三種纖維纏繞角度，分別為±80°、±60°和±45°，管的名義內徑為150mm，高度為300mm，針對每種纖維纏繞角度制作了3 個重復試件，共9 個CFFT 試件。為了防止試件在軸壓加載過程中端部的局部破壞，在每個試件的兩端粘貼了2 層高度為15mm 的碳纖維布進行加固，如圖1 所示。在本試驗中，混凝土受壓為正，受拉為負；而復材管受拉為正，受壓為負。

圖1 三種不同纏繞角度的CFFT 試件

9 個CFFT 試件的詳細信息見表1 中，其中Din和tFRP分別為復材管內徑和厚度的實測值，試件名稱都以字母“C”開頭，表示軸壓試件，接下來的數字80、60 或45 表示復材管的纖維纏繞角度，最后一個數字表示重復試件的順序。

1.2 混凝土參數

在澆筑CFFT 試件時，預留了3 個直徑為150mm、高度為300mm 的混凝土標準圓柱體試件，根據ASTM-C469/C469M-14[10]規范，獲得28 天混凝土的標準圓柱體平均抗壓強度為41.4MPa，峰值應力所對應的平均應變εco為0.002。

2 測點布置及加載

2.1 測點布置

CFFT 試件的應變片布置在試件表面高度一半的位置沿環向選擇其四分點，另外，利用特制的鋼架在CFFT試件的三等分點位置分別安裝3 個量程為10mm 的位移計，位移計的測量范圍為試件高度方向中間120mm 的范圍內，位移計布置及試驗裝置如圖2 所示。

圖2 CFFTs 軸壓實驗裝置

2.2 試驗加載

CFFTs 試件的軸向壓縮試驗在混凝土澆筑后30 天開始，并使用最大容量為3000kN 的試驗機進行，試驗的具體步驟如下：

⑴每個試件兩端用高強石膏進行找平，以確保在試件上均勻加載。

⑵對試件先進行預加載至20kN，觀察應變片、位移計的數據是否正常，以及是否出現偏壓情況，確保試驗裝置正常，數據采集能正常采集。

⑶確保試驗裝置正常，數據采集能正常采集，數據正常后，CFFTs 由預先設定的位移控制加載，加載速率為0.18mm/min，直到CFFTs 試件因復材管的破裂而失效，停止加載。

3 實驗現象及分析

3.1 實驗現象

在CFFTs 試件加載的全過程中，對于C80-1 試件，當荷載加到1466kN 時，聽到復材管發出噼啪的響聲，并且中上端發白；當荷載加到1494kN 時，試件中部有明顯裂痕，中部與上端部明顯變白；當荷載加到1589kN 時，聽到爆炸聲，試件破壞。對于C80-2 試件，當荷載加到1381kN 時，聽到復材管的輕微噼啪聲，環向應變片1 和2 之間距離中間往上位置有明顯變白；當荷載加到1518kN 時，聽到試件爆炸聲，試件承載力大幅下降。對于C80-3 試件，當荷載加到1361kN 時，試件稍微變白；當荷載加到1423kN 時，聽到試件發出噼啪響聲，并且上端部明顯變白；當荷載加到1492kN 時，試件損壞并且試件中部位置沿著纖維方向有明顯裂痕。

對于C60-1 試件，當荷載加到1100kN 時，試件上端部變白；當荷載加到1142kN 時，聽到試件發出噼啪響聲，并且試件上端部明顯變白，試件中間出現輕微裂痕；當荷載加到1236kN 時，荷載達到峰值此時荷載下降；荷載下降到1198kN 時，試件出現縱向裂痕，試件破壞，試件承載力大幅下降。對于C60-2 試件，當荷載加到889kN 時，試件中部沿纖維方向有一點點變白；當荷載加到1028kN 時，聽到試件發出噼啪響聲；當荷載加到1117kN 時，試件中部沿纖維纏繞方向有不明顯裂痕；當荷載加到1374kN 時，試件明顯損壞，試件出現從上而下的貫通破壞，上端部碳纖維布損壞，試件承載力大幅下降。對于C60-3 試件，當荷載加到1063kN 時，試件中部沿纖維纏繞方向有一點點變白；當荷載加到1125kN 時，聽到試件發出噼啪響聲；當荷載加到1350kN 時，試件明顯損壞，中部及上端部出現縱向明顯裂痕，試件承載力大幅下降。

對C45-1 試件，當荷載加到750kN 時，荷載此時下降；當荷載緩慢下降到530kN 時，聽到試件發出噼啪響聲；繼續加載，試件中部稍微膨脹，試件出現變形；當荷載下降到300kN 時，試件出現明顯變形，試件損壞；停止加載，破壞過程更加緩慢和持續。對于C45-2 試件，當荷載加到781kN 時，荷載此時下降；當荷載緩慢下降到480kN 時，聽到試件發出噼啪響聲，并且試件中上端部沿纖維方向位置變白；荷載持續下降，試件中部稍微膨脹，試件出現變形，試件損壞。對于C45-3 試件，當荷載加到726kN 時，荷載此時下降；當荷載緩慢下降到540kN 時，聽到試件發出噼啪響聲，試件中上端部沿纖維方向位置變白；荷載持續下降，試件中部稍微膨脹，試件出現變形，試件損壞。部分試件安裝在壓力試驗機時以及破壞后的形態如圖3 所示。

圖3 CFFT 試件軸壓破壞模態

3.2 實驗結果

表1 為試驗結果。

另外，繪制了9 個試件的軸向荷載-應變曲線，如圖4 所示，其中試件的軸向應變來自于三個位移計讀數的平均值，而環向應變來自于四個環向應變片的平均值。

3.3 分析

從表1、圖4 可知，纏繞角為±80°和±60°的復材管都能極大提高約束混凝土的極限承載力。C80 試件的荷載-應變曲線表現出典型的雙線型曲線，而C60 試件的荷載-應變曲線表現出與C80 試件相似的曲線，但強化段的剛度明顯小于C80 試件，而C80 試件的極限應變比C60 試件小，即C60 試件的延展性較好。對于C45試件，由曲線可知，復材管并沒有提高約束混凝土的強度，C45 管試件破壞過程相比纏繞角±80°和纏繞角±60°復材管試件更為緩慢和持續，即復材管并不是在最終突然發生破壞，而是有一個較緩慢的破壞過程，所以對軸向應變提高很大，表現出較好的延展性。

表1 試件的幾何參數和主要試驗結果

圖4 試件軸向荷載-應變關系曲線

4 結論

根據以上實驗可得：

⑴對于復材管纖維纏繞角度為±80°和±60°的CFFT 試件，其軸壓荷載達到峰值時，承載力急劇下降，破壞過程劇烈；對于纖維纏繞角度為±45°的試件，軸壓荷載達到極限荷載后持續緩慢下降，復材管破壞現象不明顯。

⑵纖維纏繞角絕對值越小，復材管對約束混凝土的約束作用越小，試件整體的最大承載力隨著纖維纏繞角絕對值的減小而減小，試件整體的最大極限應變隨著纖維纏繞角絕對值的減小而增大。