詹界東 劉朝鶴 張云峰 陳思同

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

玻璃鋼布約束混凝土圓柱尺寸效應(yīng)的研究

詹界東 劉朝鶴 張云峰 陳思同

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

為研究混凝土強(qiáng)度對GFRP布約束混凝土圓柱尺寸效應(yīng)的影響規(guī)律，用強(qiáng)度為C30和C40混凝土分別制作了3根GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱的試件進(jìn)行試驗及有限元分析，探究不同混凝土強(qiáng)度對軸心受壓下GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱力學(xué)性能的影響規(guī)律．結(jié)果表明：混凝土強(qiáng)度越高，GFRP布約束鋼筋混凝土柱的極限抗壓強(qiáng)度越高，且試件尺寸越大，極限抗壓強(qiáng)度的提高程度越大，但混凝土強(qiáng)度較高時，極限抗壓強(qiáng)度提高幅度減小，試件延性變差，更容易發(fā)生脆性破壞，建議使用混凝土等級為C40．

玻璃鋼(GFRP)； 尺寸效應(yīng)； 混凝土強(qiáng)度； 極限抗壓強(qiáng)度

在實際工程中鋼筋混凝土柱體得到普遍應(yīng)用，但是新的組合柱體也不斷地發(fā)展．近十余年來，許多學(xué)者都投入到GFRP片材約束混凝土構(gòu)件的研究工作中[1]，這種構(gòu)件的組合柱體，有效地減輕結(jié)構(gòu)自重，同時減慢混凝土柱子的老化．近年來，國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)對鋼筋混凝土構(gòu)件的尺寸效應(yīng)開展了研究[2]，但對于碳纖維布約束鋼筋混凝土尺寸效應(yīng)的深入研究較少[3]，也沒有比較系統(tǒng)的理論可供參考，規(guī)程中更沒給出明確的定量計算公式．所以開展對GFRP約束鋼筋混凝土圓柱軸壓下尺寸效應(yīng)的研究對于理論研究和工程實踐都具有重大意義[4-5]．

通過試驗和ANSYS有限元分析，對不同混凝土強(qiáng)度的GFRP布約束混凝土圓柱力學(xué)性能進(jìn)行研究，具體分析了不同混凝土強(qiáng)度的極限抗壓強(qiáng)度以及應(yīng)力-應(yīng)變的影響規(guī)律[6-7]．

1 試 驗

1.1 試件設(shè)計

本文考慮混凝土強(qiáng)度的影響，設(shè)計了3根C30混凝土強(qiáng)度的GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱和3根C40混凝土強(qiáng)度的GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱．試驗總共分為2組，即C30組(M組)與C40組(N組)，每組組內(nèi)試件參數(shù)滿足幾何相似的特點，具體試件參數(shù)見表1．

表1 試件參數(shù)

注：構(gòu)件尺寸D×h;D為混凝土柱直徑，h為柱高；GFRP體積配置率ρ=4n·t/D，n為GFRP布層數(shù)，t為GFRP布厚度，D為試件直徑．

試驗中的測點主要為應(yīng)變測點和位移測點．GFRP布的應(yīng)變測點布置在GFRP布外表面4等分點處，在各個測點處分別粘貼一個縱向和一個環(huán)向應(yīng)變片，GFRP布約束的試件在中截面平均分布3個測點，每個測點處粘貼橫向、縱向應(yīng)變片，用靜態(tài)應(yīng)變測量儀采集混凝土的環(huán)向、軸向應(yīng)變，具體布置如圖1所示．

圖1 測點布置示意圖

1.2 加載方案

本試驗為單調(diào)軸壓試驗，加載設(shè)備為500 t級的YAW-5000微機(jī)控制電液伺服壓力試驗機(jī)，荷載及試件軸向位移由試驗機(jī)傳感器采集．

加載前，調(diào)整試件，保證其軸心受壓．全程由計算機(jī)控制施加荷載，先對試件預(yù)加極限荷載的10%，使試件與上下承壓板充分接觸，使其幾何對中后卸載，并檢查、校正位移百分表和應(yīng)變測量儀，直至調(diào)整完成，開始正式加載．先以極限荷載的10%進(jìn)行分級加載，每加載一級保持穩(wěn)定后，記錄位移及應(yīng)變值，直至加載到預(yù)估極限荷載的70%，然后以極限荷載的5%分級加載，直至試件破壞，即GFRP布斷裂，試驗終止．

2 試驗結(jié)果分析

2.1 荷載-應(yīng)變曲線分析

根據(jù)試驗結(jié)果分析，繪制M組和N組的荷載-應(yīng)變曲線，如圖2所示．圖中應(yīng)變?yōu)殪o態(tài)應(yīng)變采集箱采集的各試件GFRP布和混凝土測點的環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)變的平均值．

圖2 荷載-應(yīng)變曲線

由圖2可以看出：試件的荷載-應(yīng)變曲線變化趨勢基本一致，大致分為3個階段，即彈性階段、彈塑性階段、線性強(qiáng)化階段；以試件M-3為例，當(dāng)荷載小于900 MPa時，試件處在彈性階段，當(dāng)荷載介于900～1 300 MPa時，試件處在彈塑性階段，當(dāng)荷載大于1 300 MPa時，試件處在線性強(qiáng)化階段．在加載初期，GFRP布應(yīng)變很小，增長量不大，隨荷載增加呈線性變化，且軸向應(yīng)變增長速度較大，說明此時GFRP布幾乎沒有起到約束作用，軸向壓力主要由鋼筋混凝土承擔(dān)；當(dāng)荷載接近鋼筋混凝土柱的極限承載力時，曲線出現(xiàn)拐點，應(yīng)變開始迅速增大，試件產(chǎn)生較大的變形，進(jìn)入屈服階段，此時柱的承載能力主要由GFRP布的側(cè)向約束力來提供，隨著荷載增加，應(yīng)變急劇增大，與荷載呈線性變化，表現(xiàn)出很強(qiáng)的塑性強(qiáng)化特征．N組試件，與M組對比，曲線在初期斜率較大，應(yīng)變增長速率較小，抵抗變形能力較強(qiáng)，C40試件剛度明顯高于C30試件，但試件塑性階段相對較短，延性較差，容易發(fā)生脆性破壞；試件的荷載-應(yīng)變曲線變化規(guī)律較為相似，在加載初期，應(yīng)變隨荷載呈線性變化，應(yīng)變增長速率較小，M組試件曲線的斜率大小順序依次是M3、M2、M1，說明幾何相似的GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱，尺寸越大，應(yīng)變的增長速率越小，試件抵抗變形能力越強(qiáng)，剛度越大；當(dāng)荷載加至接近于未約束試件的極限承載力時，應(yīng)變急劇增加，應(yīng)變隨荷載增加呈曲線變化，表現(xiàn)出明顯的雙線性特征，試件M1的拐點出現(xiàn)相對最早，然后依次是M2、M3，試件M1的塑性階段較長，相對變形量較大；試件達(dá)到極限承載力時，M1的軸向、環(huán)向應(yīng)變最大，即試件的尺寸越大，極限應(yīng)變越?。?d)、(e)、(f)的荷載-應(yīng)變曲線變化規(guī)律與M組試件基本一致．

2.2 荷載-位移曲線分析

由圖3中混凝土強(qiáng)度分別為C30、C40的M、N兩組試件的荷載-位移曲線可知：混凝土強(qiáng)度越高，雖然試件的極限承載力會得到提高，但試件延性變差，使得曲線的塑性階段相對較短，試件更容易發(fā)生脆性破壞．

圖3 試件荷載-位移關(guān)系曲線

2.3 不同混凝土強(qiáng)度試件極限抗壓強(qiáng)度分析

為研究混凝土強(qiáng)度對GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱極限抗壓強(qiáng)度的影響，將GFRP布體積配置率為0.013、配筋率為1.2%，混凝土強(qiáng)度等級分別為C30、C40的M、N兩組試件的極限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比．試件的極限抗壓強(qiáng)度如表2、圖4所示．

表2 試件的極限抗壓強(qiáng)度

由表2可知：試件N1、N2、N3的極限抗壓強(qiáng)度分別為38.63 MPa、37.68 MPa、37.12 MPa，以M組試件作為參照，N組試件的極限抗壓強(qiáng)度分別提高了19.11%、24.81%、27.50%，說明混凝土強(qiáng)度等級越高，試件的極限抗壓強(qiáng)度越高，且試件尺寸越大，極限抗壓強(qiáng)度的提高幅度越大，尺寸效應(yīng)得到改善．

圖4 試件極限抗壓強(qiáng)度變化

由圖4可更直觀看出：混凝土強(qiáng)度等級為C30、C40的兩組試件的極限強(qiáng)度隨尺寸的增大而減小，且未呈線性變化；兩種混凝土強(qiáng)度的試件極限抗壓強(qiáng)度變化有一定的區(qū)別，隨尺寸增大，混凝土強(qiáng)度為C40的試件極限抗壓強(qiáng)度降低率更小，試件N3與試件N2對比，極限抗壓強(qiáng)度幾乎沒有降低，說明混凝土強(qiáng)度等級較高時，GFRP布約束鋼筋混凝土柱的尺寸效應(yīng)會明顯減弱．

3 有限元分析

3.1 試件設(shè)計

為研究不同混凝土強(qiáng)度條件下的GFRP布約束鋼筋混凝土柱的尺寸效應(yīng)，選取配筋率為1.2%，GFRP布體積配置率為0.069，混凝土強(qiáng)度分別為C30、C40、C50的A、B、C 3組試件，利用有限元軟件對其進(jìn)行模擬分析，得到了試件的極限抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變云圖及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線．

表3 模擬試件參數(shù)表

3.2 模型的建立

本文建立的有限元模型為分離式模型，不考慮材

料之間的滑移，混凝土采用solid65單元，GFRP布采用shell41單元，鋼筋采用link8單元．本模型為了能夠更加精確地反映研究對象的性能，采用自定義網(wǎng)格尺寸的映射劃分法．為考慮大變形，GFRP布單元的網(wǎng)格劃分為三角形單元．具體建立幾何模型的過程如圖5所示．

圖5 幾何模型建立

根據(jù)3組試驗與A1、B2、C3模擬的結(jié)果，繪制的荷載-位移曲線對比圖，如圖6所示．

圖6 3組荷載-位移曲線對比圖

由圖6可知：荷載-位移曲線與試驗結(jié)果吻合情況較好，在荷載達(dá)到未約束鋼筋混凝土柱的極限承載力前，模擬與試驗的荷載-位移曲線基本保持一致，隨荷載增加，曲線有略微的差異，但在允許范圍內(nèi)．綜上所述，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果吻合情況良好，說明有限元模型具有可行性，可以用其進(jìn)行后續(xù)GFRP布約束鋼筋混凝土柱尺寸效應(yīng)的研究分析．

3.3 有限元分析

不同混凝土強(qiáng)度的試件的極限抗壓強(qiáng)度模擬值見表4，折線圖如圖7所示．

表4 試件的極限抗壓強(qiáng)度

由表4可知：A組試件的極限抗壓強(qiáng)度分別為29.61 MPa、27.96 MPa、27.01 MPa，B組試件的極限抗壓強(qiáng)度分別為38.89 MPa、37.58 MPa、36.53 MPa，C組試件的極限抗壓強(qiáng)度分別為46.09 MPa、44.85 MPa、44.29 MPa，說明幾何相似的試件，隨尺寸增大，極限抗壓強(qiáng)度減小，存在尺寸效應(yīng)；以A組試件的極限抗壓強(qiáng)度作為參照，B組試件的極限抗壓強(qiáng)度分別提高了31.34%、34.41%、35.25%，C組試件的極限抗壓強(qiáng)度分別提高了55.66%、60.41%、63.97%，說明隨著混凝土強(qiáng)度的增大，試件的極限抗壓強(qiáng)度有所提高，且試件尺寸越大，極限抗壓強(qiáng)度的提高程度越大，GFRP布約束效果越好，尺寸效應(yīng)越不明顯．

圖7 試件極限抗壓強(qiáng)度折線圖

由圖7可看出試件的極限強(qiáng)度隨試件尺寸的增大而減小，且未呈線性變化；不同混凝土強(qiáng)度的試件的極限抗壓強(qiáng)度變化有一定差異，隨尺寸增大，混凝土強(qiáng)度為C50的試件極限抗壓強(qiáng)度降低率更小，幾乎沒有降低，說明混凝土強(qiáng)度較高時，GFRP布約束鋼筋混凝土柱的尺寸效應(yīng)會明顯減弱．

3.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

模擬混凝土強(qiáng)度分別為C30、C40、C50的3組試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示．

圖8 不同混凝土強(qiáng)度試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖8可知：幾何相似的GFRP布約束試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線有一定差異，試件的尺寸越大，曲線斜率越大，相同應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變值越小，說明幾何相似的GFRP布約束鋼筋混凝土柱存在尺寸效應(yīng)，尺寸越大，試件相對變形量越小，GFRP布約束效果越好且試件的極限抗壓強(qiáng)度、極限應(yīng)變隨尺寸增大而減?。?/p>

4 結(jié) 論

本文對3根C30混凝土的GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱和3根C40混凝土的GFRP布約束鋼筋混凝土圓柱進(jìn)行了軸心受壓試驗分析以及9根模擬試件進(jìn)行有限元分析，并對極限抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了分析研究，主要結(jié)論如下：1)混凝土強(qiáng)度越高，GFRP布約束鋼筋混凝土柱的極限抗壓強(qiáng)度越高，且試件尺寸越大，極限抗壓強(qiáng)度的提高程度越大，但混凝土強(qiáng)度較高時，極限抗壓強(qiáng)度提高幅度減小，試件延性變差，更容易發(fā)生脆性破壞，建議使用混凝土等級為C40．2)尺寸相同的試件，混凝土強(qiáng)度越高，極限抗壓強(qiáng)度提高幅度差減小，試件延性變差，更容易發(fā)生脆性破壞．3)工程模擬構(gòu)件，在實際應(yīng)用過程中，除了要考慮比例系數(shù)對構(gòu)件的線性影響，還要考慮尺寸效應(yīng)對構(gòu)件力學(xué)性能非線性的影響．

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[責(zé)任編輯 王康平]

Study of Size Effect of GFRP Cloth Confined Concrete

Zhan Jiedong Liu Zhaohe Zhang Yunfeng Chen Sitong

(College of Civil Engineering & Architecture， Northeast Petroleum Univ., Daqing 163318, China)

In order to study the influence of concrete strength on the size effect of concrete columns confined by the glass fiber-reinforced plastic(GFRP), three specimens of GFRP restrained reinforced concrete columns are fabricated by C30 and C40 concrete respectively. The effects of different concrete strengths on the axial effect of GFRP Cladding on the mechanical properties of reinforced concrete cylinders subjected to pressures. The results show that the ultimate compressive strength of GFRP reinforced concrete columns is higher with the increase of concrete strength; and the ultimate compressive strength increases with the increase of specimen size. But when the concrete strength is high, the ultimate compressive strength increase the rate of decrease; the ductility deterioration, more prone to brittle damage. Finally, it is suggested to use concrete grade C40.

glass fiber-reinforced plastic(GFRP)； size effect； strength of concrete； ultimate compressive strength

2016-12-21

國家自然科學(xué)基金(51308028)

詹界東(1970-)，男，教授，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)的研究．E-mail：2995650561@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.013

TU377.9+4

A

1672-948X(2017)02-0060-05