嚴衛(wèi)華, 蔡 陳, 葛文杰, 宋婉蓉, 陳秋兵

(揚州大學(xué), 江蘇 揚州 225127)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下,環(huán)境中的有害因子侵入混凝土,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕[1-2]。銹蝕后的鋼筋體積膨脹,結(jié)構(gòu)開裂,混凝土保護層剝落,致使結(jié)構(gòu)耐久性不足,影響結(jié)構(gòu)使用壽命，給各國造成巨大的經(jīng)濟損失[3-5]。隨著FRP筋的興起,其在混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用也越發(fā)廣泛。但FRP筋為線彈性材料,不存在類似鋼筋的屈服平臺,將其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中常常會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)延性較差,破壞時無預(yù)兆。FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計及破壞判別不能完全參照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。一般將FRP筋設(shè)置成超筋破壞的形式,即在FRP筋斷裂之前讓受壓區(qū)混凝土先被壓碎,以此來確保試件的安全性[6-7]。

國內(nèi)外學(xué)者綜合考慮了FRP筋與鋼筋的優(yōu)缺點,提出了新型混雜筋的概念。Nannni[8]以普通鋼筋為中心外層纏繞芳綸纖維,通過試驗表明改混雜筋具有一定的延性,但在腐蝕環(huán)境下其內(nèi)芯鋼筋仍然不具有耐腐蝕性。鄭百林[9-10]等人提出包覆筋概念,在鋼筋等金屬材料的基礎(chǔ)上,外包FRP筋材料。并利用層合板理論對新設(shè)計的筋材進行理論推導(dǎo)得出預(yù)測的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。東南大學(xué)吳剛、羅云標[11-14]等提出并制備了鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋(SFCB),并提出了工業(yè)化制備的生產(chǎn)過程和關(guān)鍵工藝。近年來對SFCB混凝土結(jié)構(gòu)的研究也逐漸興起。綜合目前對SFCB混凝土結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn),主要的研究集中在SFCB力學(xué)性能、SFCB混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能和SFCB混凝土結(jié)構(gòu)的受彎性能方面,對SFCB混凝土結(jié)構(gòu)的受壓性能研究較少。本文通過對7根SFCB混凝土柱進行靜力受壓試驗,研究了偏心距對SFCB混凝土柱受壓性能,分析了其承載能力、破壞形態(tài)、撓度和裂縫方面的變化規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 試件設(shè)計

試驗均為偏心受壓混凝土柱，設(shè)計制作了7根SFCB混凝土柱?？v向受力筋總直徑12mm,內(nèi)芯鋼筋等級為直徑6 mm的HRB400級螺紋鋼筋,外包3mm厚玄武巖纖維,記為S6B20，箍筋采用直徑為8mm的HRB400鋼筋。試件詳細參數(shù)見表1,試件配筋示意圖見圖1。

表1 試件詳細參數(shù)

1.2 試驗材料

混凝土采用C35細石商品混凝土,縱筋保護層厚度為20mm,經(jīng)測試,筋材屈服強度為150.2MPa,極限強度為798.5MPa,屈服前彈性模量為72.2GPa,屈服后彈性模量為30.6GPa,屈服應(yīng)變?yōu)?.1×10-3,極限拉應(yīng)變?yōu)?3.2×10-3。實測混凝土立方體抗壓強度平均值fcu,m=43.85MPa,軸心抗壓強度標準值fck=28.87MPa,抗拉強度標準值ftk=2.74MPa,抗壓彈性模量Ec=33.29GPa。

1.3 試件制作

澆筑試件同時預(yù)留立方體試塊,用于測試立方體抗壓強度。澆筑完成兩周后拆模。養(yǎng)護初期每天至少進行2次灑水養(yǎng)護,兩周后每周至少進行2次灑水養(yǎng)護,約28天后養(yǎng)護完成。立方體試塊隨試件同條件養(yǎng)護。

2 試驗加載方案及測量內(nèi)容

2.1 試驗加載方案

試驗在揚州大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室進行。采用YAJ-5000試驗機進行兩端鉸支式偏心加載。加載時,每級持荷5min。接近破壞時,每級持荷10min。持荷過程中,待儀表讀數(shù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù),并描繪裂縫走勢圖。試驗加載見圖2。

2.2 測量內(nèi)容

(1)側(cè)向撓度。在試驗柱分別架設(shè)5個百分表,測量兩個接近1/4分隔點、兩個靠近上、下柱端以及柱中心點的位置側(cè)向撓度。(2)柱中混凝土沿截面高度方向的平均應(yīng)變。在試驗柱柱中側(cè)面沿高度方向布置5組千分表。(3)縱筋應(yīng)變。在每根縱筋兩側(cè)粘貼兩個應(yīng)變片,數(shù)據(jù)由應(yīng)變儀測得。(4)混凝土壓應(yīng)變。試件受壓區(qū)中部等間距粘貼兩個應(yīng)變片,數(shù)據(jù)由應(yīng)變儀測得。(5)裂縫。采用ZBL-F130裂縫寬度觀測儀對每級荷載作用下裂縫寬度進行測量,并用細毛筆繪制裂縫走勢圖。

3 試驗現(xiàn)象

Z2柱加載至100kN,在柱中上方出現(xiàn)兩條水平向細微裂縫,長約15mm。繼續(xù)加載,裂縫數(shù)量不斷增多,寬度和長度發(fā)展緩慢。當荷載加至240kN,7條裂縫全部出現(xiàn),此時最大裂縫寬度為0.09mm,裂縫間隔約100mm均勻分布于受拉側(cè)。繼續(xù)增加荷載至420kN,受壓區(qū)混凝土被壓碎,試件破壞,此時受拉側(cè)縱筋未屈服,破壞時最大裂縫寬度為0.17mm。試件破壞形態(tài)見圖3(a)。

Z3柱加載至40kN,受拉側(cè)出現(xiàn)4條水平向細微裂縫,分布于柱中,間隔120mm,大致呈均勻分布。隨著荷載的增加,裂縫延伸很快,荷載加至60kN時,下方第二個測點處兩側(cè)同時出現(xiàn)兩條裂縫。加載荷載80kN以上,裂縫延伸很慢,寬度不斷增加。荷載加至140kN,裂縫全部出齊,共9條裂縫,相鄰裂縫之間間隔約120mm。荷載加載至159kN,受拉側(cè)縱筋屈服。荷載加至215kN,受壓區(qū)混凝土被壓碎,試件破壞,此時最大裂縫寬度為0.58mm。試件破壞形態(tài)見圖3(b)。

Z4-Z7試件的破壞形態(tài)與Z3基本相似,均為縱筋達到屈服強度后,受壓區(qū)混凝土被壓碎。參考鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論中大小偏心受壓破壞原理,將SFCB混凝土柱在受拉縱筋屈服前混凝土被壓碎定義為小偏心受壓破壞,在受拉縱筋屈服之后混凝土被壓碎定義為大偏心受壓破壞。各試件開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和破壞類型對比見表2。

表2 試件承載力特征值和破壞類型對比表

從表2中可以看出,隨著偏心距的增大,試件極限承載力逐漸降低。與偏心距30mm時極限承載力相比,偏心距210mm時極限承載力降低了82.6%,承載力降幅較大,在小偏心受壓轉(zhuǎn)變?yōu)榇笃氖軌簳r承載力出現(xiàn)大幅度下降,降幅約48.7%,隨后承載力降低速度變緩。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 平截面驗算

通過量測加載過程中的截面上千分表數(shù)據(jù),經(jīng)過換算可得出混凝土截面沿高度方向的平均微應(yīng)變。縱筋應(yīng)變由數(shù)據(jù)采集儀直接讀取。截面沿高度方向的平均微應(yīng)變與縱筋應(yīng)變分布見圖4。

從開始加載到最終破壞,混凝土截面平均應(yīng)變沿高度方向的分布均近似為直線分布,縱筋應(yīng)變與對應(yīng)位置混凝土應(yīng)變基本相同,混凝土與內(nèi)部縱筋能協(xié)同變形無滑移,基本符合平截面假定。

4.2 荷載-撓度曲線

圖5給出了試驗中測得各級荷載作用下柱中荷載-撓度曲線。相同荷載作用下,偏心距越大,隨荷載-撓度曲線的切線斜率逐漸減小,柱中撓度逐漸增加。Z2到Z3試件,破壞形式由小偏心受壓破壞轉(zhuǎn)為大偏心受壓破壞,撓度增加明顯。Z3-Z7破壞形態(tài)相似,偏心距不斷增加,到Z7試件時,偏心距已經(jīng)達到最大值210mm,撓度增大速度相比其他試件要快很多,在圖中表現(xiàn)為荷載-撓度曲線斜率較小。以Z2和Z3相比較,在25 kN后,撓度出現(xiàn)明顯區(qū)別,在100 kN時Z2試件撓度僅為Z3試件撓度的16.7%,在200kN時僅為Z3的6.8%,相差數(shù)值呈快速增大趨勢。

4.3 荷載-筋材應(yīng)變曲線

圖6給出了各級荷載作用下荷載-筋材應(yīng)變曲線。圖中(1)數(shù)據(jù)表示離軸向力較近一側(cè)筋材,(2)表示離軸向力較遠一側(cè)的筋材,兩者其他參數(shù)相同。其中Z1(2)、Z2(2)是小偏壓柱,筋材應(yīng)變小于復(fù)合筋屈服應(yīng)變,遠離軸向力一側(cè)筋材沒有屈服。Z3(2)-Z7(2)應(yīng)變均大于屈服應(yīng)變,筋材受拉屈服。隨著偏心距的增大,遠離軸向力一側(cè)筋材應(yīng)變增大速度加快。其中偏心距最大的試件Z7在混凝土壓碎時,遠離軸向力一側(cè)筋材應(yīng)變接近14.0×10-3。在相同荷載作用下,偏心距越大，離軸向力較遠一側(cè)筋材拉應(yīng)變越大,離軸向力較遠一側(cè)筋材強度的利用率也在提高。

4.4 荷載-混凝土壓應(yīng)變曲線

圖7給出了各級荷載作用下荷載-混凝土壓應(yīng)變曲線。隨著偏心距的增加,荷載-混凝土壓應(yīng)變的切線斜率逐漸減小。偏心距越大,受拉區(qū)縱筋拉應(yīng)變越大,受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)變越大。隨著偏心距不斷增大,單位受力下混凝土應(yīng)變快速增長,尤其是偏心距較小時,增長更加明顯,荷載-混凝土壓應(yīng)變曲線斜率迅速降低,隨著偏心距不斷增大,應(yīng)變增長速度變緩。

4.5 裂縫

圖8給出了各級荷載作用下裂縫寬度圖。隨著荷載的增加,裂縫寬度逐漸增大。發(fā)生大偏心受壓破壞的Z3-Z7試件的裂縫寬度增大速度要明顯快于小偏心受壓試件Z2和Z3。

試件Z1、Z2發(fā)生小偏心受壓破壞,裂縫寬度從開始出現(xiàn)到試件破壞均較小。Z3-Z7發(fā)生大偏心破壞。小偏心受壓柱Z2和大偏心受壓柱Z3柱相對比，試件Z3開裂荷載為試件Z2的60%,極限荷載為48.7%,最大裂縫寬度相差2倍。大偏心受壓柱比小偏心受壓柱裂縫寬度開展快,寬度更大,開裂荷載遠小于小偏心受壓試件。

5 結(jié)語

對7根不同偏心距的SFCB混凝土柱偏心受壓性能進行了試驗研究,得到以下結(jié)論:(1)SFCB混凝土柱在試件開裂前筋材和混凝土能夠有良好的協(xié)同變形能力,在開裂之后,SFCB柱撓度增加較快,撓度增長速度較快,偏心距增大,撓度增長漲幅度逐漸減慢。(2)隨著偏心距不斷增大,SFCB柱試件承載能力不斷下降,在小偏心轉(zhuǎn)變?yōu)榇笃臅r強度下降最快,降幅可達48.7%,同時裂縫開展加劇,小偏心與大偏心試件最大裂縫寬度相差可達兩倍。(3)試件偏心受壓性能與鋼筋混凝土柱類似,偏心距越大,SFCB混凝土柱的柱中撓度越大,在小偏心與大偏心界限附近變化曲線有明顯不同,大偏心試件撓度增長速度遠快于小偏心試件,且隨荷載增長,大偏心試件裂縫與小偏心試件裂縫差值越來越大,偏心距越大時遠離軸向力一側(cè)SFCB的拉應(yīng)力和受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)變也越大。