GFRP-珊瑚礁混凝土柱偏心受压承载性能及弯曲延性分析.pdf
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1、第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月硅 酸 盐 通 报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.42 No.7July,2023GFRP-珊瑚礁混凝土柱偏心受压承载性能及弯曲延性分析关纪文1,陈 华1,常 萍1,梁庆文1,但 宇1,杨汉宁1,陈红梅2(1.南宁学院土木与建筑工程学院,南宁 530200;2.桂林理工大学南宁分校土木与测绘工程系,崇左 532100)摘要:为研究偏心距、配箍率对玻璃纤维复合材料(GFRP)筋珊瑚礁混凝土柱偏心受压承载性能和弯曲延性的影响,对 5 根珊瑚礁混凝土柱进行偏心受压试验,研究偏心距对试件承载性能、GFRP 纵筋应变
2、、混凝土应变、竖向位移及柱中挠度的影响。基于上述5 组偏心距,采用 ANSYS 软件建立15 根珊瑚礁混凝土柱模型,即每组偏心距下分别设计 0.375%(箍筋间距分别为 100、75、50 mm,下同)、0.500%、0.750%三种配箍率构件。最后,提出构件弯曲延性、截面曲率的计算方法。结果表明:随着偏心距增加,构件的承载力减小,受压侧 GFRP 纵筋应变增长速度减小;配箍率的增加不仅提高了试件承载力,同时减小了柱中挠度。构件承载力及弯曲延性的理论计算值同 ANSYS软件模拟结果吻合良好。关键词:GFRP 筋;珊瑚礁混凝土;偏心受压;配箍率;承载性能;弯曲延性;截面曲率中图分类号:TU377
3、.9文献标志码:A文章编号:1001-1625(2023)07-2409-10Analysis on Bearing Capacity and Bending Ductility of GFRP-CoralConcrete Columns under Eccentric CompressionGUAN Jiwen1,CHEN Hua1,CHANG Ping1,LIANG Qingwen1,DAN Yu1,YANG Hanning1,CHEN Hongmei2(1.College of Architecture and Civil Engineering,Nanning University,N
4、anning 530200,China;2.College of Civil and Surveying-Mapping Engineering,Guilin University of Technology at Nanning,Chongzuo 532100,China)Abstract:To study the effects of eccentricity and stirrup ratios on bearing capacity and bending ductility of glass fibercomposite(GFRP)bars-coral concrete column
5、s under eccentric compression,an eccentric compression test was carried outon 5 coral concrete columns.The effect of eccentricity on bearing capacity,GFRP longitudinal bar strain,concrete strain,vertical displacement and mid-span deflection was investigated and analyzed.Based on the five eccentricit
6、ies above,15coral concrete columns were established and studied by ANSYS.Three stirrup ratios of 0.375%(stirrup spacing of 100,75 and 50 mm respectively,the same as below),0.500%and 0.750%were set in each group of eccentricity.Subsequently,the calculation methods of bending ductility and sectional c
7、urvature of these specimens were put forward inthis paper.The results show that the increase of eccentricty not only decreases the bearing capacity,but reduces theincrement speed of GFRP longitudinal bars strain on compression side.The increase of stirrup ratios not only improves thebearing capacity
8、 but also reduces the mid-span deflection of specimens.The theoretical calculated values of bearing capacityand bending ductility are in good agreement with the ANSYS simulated results.Key words:GFRP bar;coral concrete;eccentric compression;stirrup ratio;bearing capacity;bending ductility;sectionalc
9、urvature收稿日期:2023-04-12;修订日期:2023-05-07基金项目:广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(2020KY64018,2023KY1857);南宁学院科研项目(2022XJ04,2022XJ05,2022XJ06)作者简介:关纪文(1996),男。主要从事新型复合材料、新型混凝土结构力学性能方面的研究。E-mail:354031646 通信作者:陈红梅,助理讲师。E-mail:1154382202 2410水泥混凝土硅 酸 盐 通 报 第 42 卷0 引 言珊瑚礁混凝土在交变温度下具有较好的抗劣化性能,且在海洋环境中能有效降低氯离子扩散系数,因此被广泛用于海岛
10、、海洋工程的建设1-2。研究3表明,海洋环境中设置全珊瑚海水混凝土保护层,能有效降低钢筋-混凝土界面在交变温度作用下的劣化效应。同时,若增大珊瑚礁混凝土的强度等级,有助于降低氯离子扩散系数4。纤维增强复合材料(fiber reinforced plastic,FRP)筋具有轻质高强、耐腐蚀性强、绝缘性能好等优越特性5-7。且经研究8-10表明,FRP 筋-珊瑚礁混凝土之间的黏结性能良好,其中 GFRP 筋与珊瑚礁混凝土的黏结破坏过程与 GFRP 筋-普通混凝土的黏结行为较为接近,能满足一般工程需要,故 GFRP 筋可作为岛礁工程结构构件的增强筋。采用玻璃纤维复合材料(glass fiber r
11、einforced plastic,GFRP)筋增强橡胶集料混凝土梁,增大配筋率可有效提高构件的开裂荷载、极限荷载,但纵向配筋率增加至一定数值后,变化不再明显11。使用碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)筋增强 GFRP 管混凝土短柱,能有效提升构件的极限承载力,且修正后的有限元模型与试验结果吻合较好12。然而,目前对采用 FRP 材料增强珊瑚礁混凝土构件(尤其是竖向承重构件)的研究较少,相关理论并未完善,其承载力、弯曲延性等重要力学性能指标的评定,需进一步研究讨论。本文以 GFRP 筋、C30 珊瑚礁混凝土为材料,研究偏心距对珊瑚礁混凝土
12、柱承载力(极限弯矩)、GFRP纵筋应变、珊瑚礁混凝土应变、柱端竖向位移及柱中挠度的影响。同时,基于 5 组偏心距,采用 ANSYS 建立15 根珊瑚礁混凝土柱计算模型,研究偏心距、配箍率对构件承载力、跨中挠度、截面曲率的影响。本文可为珊瑚礁混凝土构件在海洋工程中的应用提供参考。1 实 验1.1 试件设计本试验共设计 5 根 GFRP 筋-珊瑚礁混凝土柱,试件均采用矩形截面且对称配筋,每侧配置 3 根纵筋。试件内部纵筋、箍筋均采用 GFRP 筋,纵筋直径为10 mm,箍筋直径为 6 mm。试件尺寸均为 150 mm 150 mm 500 mm,珊瑚礁混凝土强度设计等级为 C30,保护层厚度均为
13、20 mm。具体设计尺寸及配筋方式见图 1。本文共设计 5 组偏心距,即 7.5、15、30、45、60 mm,分别记为 PY-7.5、PY-15、PY-30、PY-45、PY-60。每组偏心距下分别设计 100、75、50 mm 三种 GFRP 箍筋间距,以对应 0.375%、0.500%、0.750%三种配箍率。PY-60-0.500%表示试件偏心距为 60 mm,配箍率为 0.500%。图 1 试件截面尺寸及配筋图Fig.1 Sectional dimension and reinforcement diagram of test specimen1.2 GFRP 筋性能测试基于室温下连
14、续纤维增强陶瓷基复合材料压缩性能试验方法(JC/T 24062017)13对本批次 GFRP筋进行单轴拉伸、压缩试验,并采用静态数据采集系统实时记录筋材受力过程中的应力、应变值。结果表明,GFRP 筋为典型的脆性材料,无论受拉还是受压,其实测应力-应变曲线始终保持为一条平滑的直线,如图 2第 7 期关纪文等:GFRP-珊瑚礁混凝土柱偏心受压承载性能及弯曲延性分析2411所示。GFRP 筋的实测基本力学性能参数如表 1 所示。表 1 GFRP 筋基本力学性能Table 1 Basic mechanical properties of GFRP barsDiameter/mmCompressive
15、 strength/MPaCompressive elastic modulus/GPaTensile strength/MPaTensile elastic modulus/GPa10450.1948.831 910.85125.48图 2 GFRP 筋拉、压应力-应变曲线Fig.2 GFRP bars tension and compression stress-strain curves1.3 珊瑚礁混凝土性能测试本试验对 C30 珊瑚礁混凝土的配合比进行设计,并与 C30 普通混凝土配合比14作对比,如表 2、表 3 所示。同批次浇筑 6 组 150 mm 150 mm 300 mm
16、珊瑚礁混凝土棱柱体试块,由静态数据采集系统自动记录C30 珊瑚礁混凝土上升段的应力、应变值。表 2 C30 珊瑚礁混凝土配合比Table 2 Mix proportion of C30 coral concreteCompositionCoralSandCementSeawaterWater reducerMix proportion/(kgm-3)705729500142.57.5表 3 C30 普通混凝土配合比Table 3 Mix proportion of C30 ordinary concreteCompositionGravelSandCementWaterWater reduce
17、rMix proportion/(kgm-3)1 088726330202.51.6C30 珊瑚礁混凝土与 C30 普通混凝土14的应力-应变曲线对比如图3 所示。由图3 可知,两种混凝土应力-应变曲线的变化规律基本相同,但 C30 珊瑚礁混凝土曲线的斜率较大,说明珊瑚礁混凝土比普通混凝土更早进入非线性增长阶段。整个加载过程中,珊瑚礁混凝土的应变始终小于普通混凝土。尽管二者极限应力值较接近,但珊瑚礁混凝土的极限应变(1.425%)仅为普通混凝土极限应变的 71.23%。由此可推断,当构件接近破坏时,珊瑚礁混凝土的脆性会更明显。1.4 加载方式采用500 t 电液伺服长柱试验机进行加载,加载数据
18、由试验机的数据采集系统自动采集,柱端竖向位移、柱中挠度均由千分表量测,人工记录。由于珊瑚礁混凝土、GFRP 均为脆性材质,且试件截面尺寸较小,若将试件两端设计成牛腿的形式,牛腿部分的配筋难以实现,导致最终受力效果并不理想15-16。故基于现有试验条件及成本考虑,本试验于各试件顶端放置一块 20 mm 厚的钢垫板,以实现不同的偏心距。同时,为保证钢垫板与混凝土表面完全接触、均匀施压,于试件的上、下表面均铺设一层细砂,以最大程度地减小误差。钢垫板与试件接触部分的中心线即为上压板施加荷载的中心线,通过调整钢垫板的位置,实现不同的偏心距,2412水泥混凝土硅 酸 盐 通 报 第 42 卷如图 4 所示
19、。图 3 C30 珊瑚礁混凝土和 C30 普通混凝土应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of C30 coral concreteand C30 ordinary concrete图 4 偏心加载装置示意图Fig.4 Schematic diagram of eccentric loading device2 结果与讨论2.1 试件受压破坏结果经试验可知,各试件的极限荷载 Nu随着偏心距增加逐渐减小,且降幅递增,结果如表 4 所示。表 4 试件的设计参数及极限荷载Table 4 Design parameters and Nuof specimensSpecim
20、enEccentricity/mmSize/mmStirrup pattern/mmStirrup ratio/%Nu/kNPY-7.57.5150 150 50061000.375701.36PY-1515150 150 50061000.375625.13PY-3030150 150 50061000.375563.22PY-4545150 150 50061000.375437.85PY-6060150 150 50061000.375296.432.2 试验过程及破坏形态本次试验中,所有试件的破坏模式均为受压侧珊瑚礁混凝土被压碎,且 GFRP 纵筋始终未发生屈服。全截面受压破坏:偏心距
21、为 7.5、15 mm 的试件发生全截面受压破坏。以偏心距为 15 mm 的试件为例。三种配箍率试件的破坏形态均为:受压侧珊瑚礁混凝土劈裂破坏,呈现出明显的破坏区。试件在发生破坏时十分突然,无明显变形,与普通钢筋混凝土柱的小偏心受压破坏类似,属于典型的脆性破坏。部分截面受压破坏:偏心距为 30、45、60 mm 的试件发生部分截面受压破坏。以偏心距为 45 mm 的试件为例。随着加载进行,三种配箍率试件的侧面均陆续出现细小、密集的新裂缝,分布于受拉区棱边附近,并呈现出向受拉侧发展延伸的趋势。继续加载,受压侧珊瑚礁混凝土裂缝不断加深、变宽,发出明显的“咝咝”声,同时受拉侧裂缝逐渐横向发展,最终试
22、件伴着一声脆响而宣告被破坏。不同于普通钢筋混凝土柱大偏心受压破坏17-18,这三个试件的破坏形态均为:受压侧混凝土劈裂破坏,受压侧 GFRP 纵筋发生严重的剪切断裂,GFRP 箍筋直接被拉断;受拉侧裂缝、挠度变化并不明显,仍属于典型的脆性破坏。2.3 GFRP 纵筋弯矩-应变曲线图5 为 GFRP 纵筋的弯矩-应变(M-)曲线。由图5(a)可知,加载初期试件未开裂,GFRP 筋的应变随弯矩增加而增大,受压侧 GFRP 筋的 M-曲线呈线性上升状态,筋材处于线弹性阶段。弯矩增加至6 8 kNm,各试件陆续出现裂缝。其中,试件 PY-7.5、PY-15 曲线出现明显的拐点,且曲线斜率逐渐减小,应变
23、增长速度加快,直至破坏;而试件 PY-30、PY-45、PY-60 曲线无明显拐点,但曲线斜率逐渐增大,应变增长速度减小。原因在于,加载过程中部分截面受压试件(PY-30、PY-45、PY-60),其侧向变形逐渐加大,应力分布不均匀,导致内部 GFRP 纵筋出现应力重分布;同时,考虑到剪力滞后效应的影响,GFRP 纵筋之间混凝土的剪切变形量第 7 期关纪文等:GFRP-珊瑚礁混凝土柱偏心受压承载性能及弯曲延性分析2413存在差异,最终受压侧 GFRP 应变增长速度减小。由图 5(b)可知,加载初期,各试件受拉侧 GFRP 纵筋的曲线增长规律与受压侧类似。其中,试件 PY-7.5、PY-15 受
24、拉侧纵筋只产生压应变,试件 PY-45、PY-60 受拉侧纵筋只产生拉应变。图 5 GFRP 纵筋的 M-曲线Fig.5 M-curves of GFRP longitudinal bars然而,试件 PY-30 受拉侧纵筋、受拉侧混凝土的曲线变化比较特殊。对比可知,GFRP 筋开始受压(图 5(b),当弯矩增加至 10 12 kNm 时,曲线斜率突然反向,GFRP 筋开始受拉。可将此过程视为一种临界状态,分为三个阶段分析:1)第一阶段,混凝土未开裂。增大偏心距,相当于增大受拉侧到中性轴的距离,故混凝土受拉;而受拉侧 GFRP 纵筋距中性轴较近,故只受压。2)第二阶段,混凝土开裂。裂缝使混凝土
25、内部骨料发生变形,应力发生重分布,则受拉区拉应力减小,压应力增大,因此混凝土开始与纵筋共同承受压应力。3)第三阶段,GFRP 筋受拉。随着受拉区裂缝开展以及试件压缩变形增加,受拉区出现明显纵向裂缝,且角部混凝土被拉裂退出工作,故拉裂截面区域所产生的较大拉应力只能由 GFRP 筋承担,未开裂的混凝土则继续承担压应力。2.4 珊瑚礁混凝土弯矩-应变曲线图 6 为珊瑚礁混凝土的 M-曲线。从图 6(a)可知,加载初期各曲线的线性增长趋势不明显,斜率分布不均匀,非线性增长持续时间较长。随着偏心距增大,曲线拐点出现越快,且拐点出现后应变的增长幅度越大。对比试件 PY-7.5、PY-15、PY-30 的极
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