gfrp套管鋼筋混凝土柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究

gfrp套管鋼筋混凝土柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究

0鋼管混凝土結(jié)構(gòu)材料由于其高可用性、經(jīng)濟(jì)效益顯著、拆卸方便等特點(diǎn)，混凝土結(jié)構(gòu)已成為建筑市場的主導(dǎo)地位。然而，在延性、強(qiáng)度和抗疲勞性能方面還存在缺陷11。鋼管混凝土改善了混凝土受力性能,能同時(shí)發(fā)揮鋼管及混凝土的各自特點(diǎn),并且施工方便,具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益［2］,近年來在各種大型結(jié)構(gòu)中鋼管混凝土柱代替了鋼筋混凝土柱。然而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼管,其腐蝕不斷發(fā)生,這種侵蝕作用在潮濕的環(huán)境中將更加嚴(yán)重［3］。纖維增強(qiáng)聚合物因其自身耐腐的特點(diǎn)逐步成為鋼材的替代品,FRP布在原有建筑上的加固、FRP管及FRP筋等領(lǐng)域的應(yīng)用說明了FRP結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用前景的廣闊。因此,近些年來FRP結(jié)構(gòu)已成為國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)［4］。FRP結(jié)構(gòu)目前在實(shí)際工程中應(yīng)用較多的是既有結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固,而另一類能夠直接用于新建結(jié)構(gòu)的FRP結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)目前在實(shí)際工程應(yīng)用較少,尚處于研究階段。本文通過軸壓下GFRP套管鋼筋混凝土長柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究和偏心受壓下GFRP套管鋼筋混凝土組合柱的力學(xué)性能試驗(yàn)研究,分析套管鋼筋混凝土組合柱的偏心距及長細(xì)比對(duì)組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的影響,為以后進(jìn)一步的理論研究和相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供一些試驗(yàn)資料和理論依據(jù)。1測試設(shè)計(jì)GFRP套管鋼筋混凝土柱力學(xué)性能試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)見表1。2gfrp管工藝參數(shù)試件使用同一廠家同一規(guī)格的GFRP管,其外徑D1=210mm,內(nèi)徑D2=200mm,壁厚t=5mm。采用濕法纏繞,纖維鋪設(shè)角度為±57.5°,GFRP管的各項(xiàng)參數(shù)由廠家提供。試件分2批澆注,試驗(yàn)時(shí)試件L0~L8的混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度為67.5MPa,試件BC1-H~BC6-H的混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度為64.1MPa,柱箍筋均采用HPB235,柱縱筋為HRB335,所有柱的縱筋為,箍筋為Φue7886.5@180,表2為各材料力學(xué)性能參數(shù)的具體值。3試驗(yàn)計(jì)劃3.1gfrp管應(yīng)變管環(huán)向及軸向應(yīng)變管出管出管圖1(a)為軸心受壓長柱加載裝置及測點(diǎn)布置示意圖,在長柱的兩端各放置1個(gè)平板鉸,以保證柱兩端為鉸連接,并控制彎曲方向。沿柱的高度方向布置3個(gè)位移計(jì)來測量彎曲平面內(nèi)柱的側(cè)向撓度,4對(duì)電阻應(yīng)變片貼于柱中GFRP管外表面,分別測量GFRP管的環(huán)向及軸向應(yīng)變。圖1(b)為偏心受壓GFRP管套管鋼筋混凝土組合柱加載裝置及測點(diǎn)布置示意圖,通過剛性柱帽實(shí)現(xiàn)對(duì)偏壓組合柱的偏心加載,在偏壓組合柱兩端分別設(shè)置單向刀口支座,以滿足偏壓組合柱兩端鉸支的要求,初始偏心距即為兩刀口連線與偏壓組合柱截面形心的距離,分別用應(yīng)變片測量偏心受壓組合柱柱中壓區(qū)和拉區(qū)的縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變、測量試件BC5-H、BC4-H、BC3-H柱中截面縱向應(yīng)變情況,沿偏壓組合柱高度方向四分點(diǎn)處布置了3個(gè)位移計(jì)來測量偏壓組合柱的側(cè)向撓度。3.2預(yù)加載和加載期的確定根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(TB/T50152—2012)中的規(guī)定:為確保試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期的效果,在正式加載以前,先進(jìn)行預(yù)加載,預(yù)加的荷載一般是分級(jí)荷載的1~2級(jí),然后正式加載,在70%極限荷載以前,每級(jí)按1/15~1/12的極限荷載進(jìn)行施加。在70%極限荷載以后,每級(jí)荷載則按1/30~1/25的極限荷載施加,連續(xù)記錄各級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片和位移計(jì)的數(shù)值。4試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1組合柱的破壞形態(tài)圖2為軸壓下GFRP套管鋼筋混凝土組合長柱的典型破壞形態(tài),圖3為偏心受壓下GFRP套管鋼筋混凝土組合柱的破壞形態(tài)。從圖2、圖3可以看出,隨著長細(xì)比和偏心距的增大,試件的破壞形態(tài)發(fā)生改變,對(duì)于軸壓組合長柱來說,破壞形態(tài)由材料強(qiáng)度破壞向整體失穩(wěn)破壞轉(zhuǎn)變,而對(duì)于偏心受壓組合柱,則是由壓縮破壞向彎曲破壞轉(zhuǎn)變。4.2gfrp套管鋼筋混凝土組合柱的側(cè)向撓度圖4給出了部分試件在不同荷載階段下沿高度的撓度曲線。由圖4可見,試件隨著荷載的增大側(cè)向撓度也不斷增大,曲線上下部分趨于對(duì)稱并逐漸接近正弦曲線,對(duì)于同一荷載值,GFRP套管鋼筋混凝土組合柱的側(cè)向撓度又隨長細(xì)比和偏心距的增大而增大。撓度的增長將導(dǎo)致附加二階效應(yīng),組合結(jié)構(gòu)柱中彎矩增大從而引起GFRP套管鋼筋混凝土組合柱承載力的快速降低。因此長細(xì)比和偏心距的增加對(duì)組合柱承載力和延性的影響會(huì)越來越顯著。4.3不同長細(xì)比和偏心距試驗(yàn)結(jié)果分析各套管鋼筋混凝土組合柱的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,長細(xì)比λ=20、32、40、48的試件,承載力分別較試件L0下降了11.6%、26.3%、30.96%、35.74%。偏心距e=20、60、100、200的試件,承載力分別較試件L2下降了50.01%、77.4%、89.1%、94.4%。各試件隨著偏心距及長細(xì)比的增加,其承載力不斷降低,并且降低的幅度大于普通鋼筋混凝土柱,但降低的速率逐漸變緩,這主要是因?yàn)殡S著長細(xì)比和偏心距的增大,混凝土受到的側(cè)向約束應(yīng)力減小,組合柱內(nèi)縱筋對(duì)承載力的影響明顯變大,混凝土強(qiáng)度對(duì)承載力的影響則相對(duì)逐漸減弱,而GFRP管只能影響核心混凝土的強(qiáng)度,因此長細(xì)比和偏心距越大,約束效果越差,承載力越低,為了充分發(fā)揮管的約束作用,長細(xì)比和偏心距不宜過大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示無論GFRP管縱向應(yīng)變還是環(huán)向應(yīng)變?cè)?個(gè)測點(diǎn)和從開始就存在差異,這種差異對(duì)于組合長柱來說可能是試件的初始缺陷,對(duì)于偏心受壓組合柱則是初始偏心。不過無論哪種都將使試件在加載后,使GFRP管兩側(cè)的受拉或受壓程度不同,并且這種差異將隨荷載的增大而加大,接近極限承載力時(shí),這種差異表現(xiàn)則越來越突出,壓應(yīng)力較大一側(cè)的GFRP管的環(huán)向拉應(yīng)變以及縱向壓應(yīng)變迅速增大,而另一側(cè)的環(huán)向拉應(yīng)變以及縱向壓應(yīng)變的增大幅度較小。從數(shù)據(jù)對(duì)比上可以看出,這種差異隨長細(xì)比或偏心距的增加而增大。同時(shí),從數(shù)據(jù)分析還可以看出長細(xì)比和偏心距較小的組合柱環(huán)向應(yīng)變較大,而長細(xì)比和偏心距較大的試件其環(huán)向應(yīng)變較小,環(huán)向應(yīng)變的大小反映了GFRP管對(duì)核心混凝土的約束情況,約束情況的好壞直接影響核心混凝土的力學(xué)性能,進(jìn)一步影響承載力的大小。4.5柱中截面應(yīng)變分析試驗(yàn)過程中,無論軸心受壓的長柱還是偏心受壓柱在荷載相對(duì)較小時(shí),柱中截面能夠較好地保持平截面。隨著荷載增加,柱中截面上部分應(yīng)變逐漸偏離了直線,主要是由于GFRP管上部分纖維被拉斷,對(duì)核心混凝土的約束作用減弱。但總體來看,仍可以近似認(rèn)為平截面假定成立。5心距破壞形態(tài)的變化隨著長徑比和偏心距的增大,GFRP管鋼筋混凝土組合柱的承載力降低,剛度變小,管的約束效果逐漸減小。GFRP管鋼筋混凝土組合柱在不同偏心距下的破壞現(xiàn)象不同,小偏心受壓時(shí),受壓區(qū)GFRP管褶皺而發(fā)生受壓破壞,大偏心受壓時(shí)受拉區(qū)GFRP管層間撕裂,部分纖維拉斷發(fā)生受拉破壞,破壞形態(tài)逐漸由壓縮破