邓宗才， 贾鹏星

(北京工业大学城市与工程防灾减灾省部共建教育部重点实验室， 北京 100124)



足尺寸GFRP筋HFRC柱的轴压性能与理论研究

邓宗才， 贾鹏星

(北京工业大学城市与工程防灾减灾省部共建教育部重点实验室， 北京 100124)

为了研究玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋混杂纤维混凝土(hybrid fiber reinforced concrete，HFRC)柱的轴压性能，进行了5个GFRP筋HFRC柱和1个未配筋HFRC柱的轴压试验，分析了GFRP箍筋间距和纵筋配筋率对GFRP筋HFRC柱轴压性能的影响规律. 结果表明：提高GFRP纵筋配筋率可以提高试件的承载力，箍筋间距小的试件的延性明显高于箍筋间距大的试件. 根据试验数据回归出了GFRP筋HFRC柱峰值应力、峰值应变以及承载力的计算公式.

GFRP筋；混杂纤维混凝土；轴压性能；承载力；变形

柱子在结构中通常起着最关键的作用，关键部位一个受压构件的失效就会导致整个结构的失效. 目前常用的是钢筋混凝土柱. 在海洋环境、盐碱地区、桥梁工程和化工厂厂房等承受腐蚀作用的混凝土结构，钢筋易腐蚀，严重影响结构安全性和使用寿命. 纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer，FRP)是替代钢筋、用于腐蚀环境中结构的最理想材料. 玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋具有抗拉强度高、密度小、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能优良和电磁绝缘性好等优点[1].

目前，FRP筋增强普通混凝土柱以及钢筋增强纤维混凝土柱的轴压性能已有相关研究[2-7]，但关于GFRP筋的混杂纤维混凝土(hybrid fiber reinforced concrete，HFRC)柱的轴压特性及理论未见报道. 为了弥补GFRP筋的线弹性和脆性较大的不足，本文混凝土中掺加了短切高性能聚烯烃纤维(polyolefin, PP)以及聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纤维，以改善GFRP筋混凝土柱的变形能力. 粗聚烯烃纤维、PVA纤维间具有良好的协同效应，优势互补，由于PVA纤维较细且表面有亲水羟基，与基体黏结良好，纤维拔出过程会消耗较多的能量；粗聚烯烃纤维较长，表面凹凸不平，增加了它与基体的黏结效果，对提高HFRC裂后变形能力有较大贡献，纤维在拔出和拉断的过程中消耗了较多能量[8]. 本文进行了6根GFRP筋HFRC柱的轴压试验，分析了GFRP筋的箍筋间距和纵筋配筋率对纤维混凝土柱的轴压性能的影响规律，提出了GFRP筋纤维混凝土柱的承载力计算公式，为工程应用FRP筋混凝土柱提供参考数据.

1 试验概况

1.1 试件设计与材料

共设计6个圆形截面柱，其中1个未配筋HFRC柱，5个GFRP筋HFRC柱，柱子的直径为380 mm，高度为1 300 mm. 柱编号和配筋列于表1，其中：“G”后的数字表示GFRP纵筋的根数；“-”后数字表示GFRP箍筋间距，如G6-90，表示纵筋6根，箍筋间距为90 mm；N为未配筋试件；ρf为纵筋配筋率；d、n分别为纵筋直径和根数；dv为箍筋直径；ρv为体积配箍率；s为箍筋间距.

表1 试件编号汇总

HFRC的材料组成和配合比见表2，其中水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，砂子为中砂，减水剂采用复配的西卡高效聚羧酸减水剂；粗纤维为上海罗洋材料有限公司提供的波浪形PP，直径1 mm，长度40 mm，抗拉强度530 MPa，弹性模量5.6 GPa；PVA直径20 μm，长度10 mm，抗拉强度1 600 MPa.

GFRP筋由南京锋晖复合材料有限公司提供，纵筋的抗拉强度840 MPa，弹性模量45 GPa；螺旋箍筋的抗拉强度336 MPa，弹性模量45 GPa.

表2 纤维混凝土组分及配合比

1.2 试件制作与养护

将内径380 mm的PVC管切割成长度为1 300 mm的管子，底部用木板封住. 用扎带将GFRP筋按照设计的箍筋间距和纵筋根数及位置绑扎好，为保证破坏发生在试件中部，试件两端分别设置250 mm箍筋加密区，加密区内箍筋间距为50 mm. 将绑扎好的GFRP筋放入PVC管中，把GFRP筋固定在PVC管上，使之周围和PVC管的距离保持一致. 将搅拌均匀的纤维混凝土分批倒入PVC管中，倒入的过程中用振动棒振捣密实. 7 d后将PVC管切除，自然养护21 d，开始试验. 试件制作过程如图1所示.

1.3 试验加载与测试内容

在试件中部的箍筋上等间距贴4个应变片，用来测箍筋的应变. 每隔1根纵筋贴1个应变片，用来测纵筋的应变. 柱高中部位置混凝土的四周等间距贴4个纵向和4个横向的应变片，用来测混凝土的纵向和横向应变. 同时，在柱子的四周用4个位移计测定轴向变形量. 用20 MN的电液伺服机加载，峰值荷载前用力控制加载速率，加载速率150 kN/min，峰值荷载后用位移控制加载速率，加载速率0.12 mm/min. 为了消除试件两端不平整对试验的影响，在试件两端铺一层细砂找平. 正式加载前先预加载至50 kN，如果试件四周的应变均在四周应变平均值的±5%范围以内，表示试件受荷均匀，否则重新调整对中，直至满足要求. 对中完毕后，开始加载直到试件破坏. 用计算机数据自动采集系统记录试验数据. 试验加载装置见图2.

2 试验结果与分析

2.1 试验现象和破坏形态

未配筋试件加载初期处于弹性阶段，其轴向应变和环向应变均较小；当加载至峰值荷载的85%左右时，试件中部出现微裂缝，位移增加的速率逐渐加快，并伴有纤维拔出和断裂的“噼啪”声；随着荷载的增加，微裂缝逐渐增多且向试件两端延伸，当加载至峰值荷载时，裂缝开裂明显；随后荷载迅速减小，裂缝逐渐变宽，但由于纤维的桥联作用试件完整性较好.

配筋试件加载初期和未配筋试件类似，其轴向应变和环向应变均较小，箍筋尚未发挥作用；当加载至峰值荷载的80%～90%时，试件中部出现微裂缝；随着荷载的增加伴有纤维拔出和断裂的“噼啪”声，到达峰值荷载时，裂缝开裂明显，此时箍筋作用较小；随后试件轴向和环向应变增长较快，箍筋的约束作用逐渐增大，荷载较未约束试件下降缓慢；当荷载下降到峰值荷载的85%左右时箍筋断裂，有较大的响声，随后荷载迅速下降. 试件在轴压过程中并未发生保护层脱落现象，这与文献[1]中描述的GFRP筋增强普通混凝土柱明显不同，文献[1]中保护层脱落现象很严重. 待加载完毕后用锤子凿开裂缝处的保护层，观察到箍筋和纵筋都已断裂，如图3(d)所示. 试件破坏过程如图3所示.

2.2 试验数据与分析

试验结果列于表3. 表中Pmax为柱子承载力实测值，fcc和εcc分别为约束HFRC的峰值应力、峰值应变，fco和εco分别为非约束HFRC的峰值应力、峰值应变，Pb为柱子峰值荷载时纵筋的总荷载，εs和εb分别为柱子峰值荷载时箍筋和纵筋的应变实测值. 混凝土的延性系数用比值ε85/ε1表示，ε85是轴向荷载下降到峰值荷载的85%时所对应的轴向应变，ε1是上升段弹性极限所对应的应变[9]，见图4.

由表3可见，GFRP筋HFRC柱的承载力Pmax的范围为5 124～5 680 kN，此时纵筋的轴向应变εb的范围为3.524×10-3～5.256×10-3，远小于其极限应变(1.860×10-3)；峰值荷载时箍筋的应变范围为1.524×10-3～2.428×10-3，远大于文献[1]中GFRP筋普通混凝土柱的305×10-6，这表明峰值荷载时GFRP筋HFRC柱的箍筋应力比GFRP筋普通混凝土的大很多，约束作用不能忽略. HFRC的峰值应变εcc的范围为3.561×10-3～5.203×10-3，比文献[1]中GFRP筋普通混凝土柱的峰值应变εcc(1.746×10-3～2.740×10-3)大1倍左右，这表明GFRP筋HFRC混凝土在达到承载力之前的变形性能更好.

2.3 应力- 应变曲线

由于试件加载过程中，混凝土保护层并未脱落，所以认为纵筋和混凝土之间没有发生滑移，其应变相等，故混凝土的应力计算公式为

(1)

式中：P为荷载实测值；Ef为GFRP纵筋的弹性模量;εc为混凝土的纵向应变；Af为GFRP纵筋总截面面积.

表3 试验结果

图5为混凝土的轴向应力- 应变曲线，试验结果表明，在加载初期试件处于弹性变形阶段，箍筋尚未发挥约束作用，应力- 应变曲线几乎是直线. 随着荷载增加，应力- 应变曲线逐渐变弯，应变的增长速率快于应力增长. 随着荷载进一步增加，应力- 应变曲线斜率急剧减小，随后应力- 应变曲线到达峰值点. 峰值点后GFRP箍筋能够继续发挥约束，应力- 应变曲线下降较为平缓，延性较好，一直持续到应力下降到85%峰值应力后GFRP筋才会破坏. 最后，因GFRP箍筋断裂核心混凝土承载力迅速下降，试件破坏. 观察文献[1]中GFRP筋普通混凝土柱的荷载- 应变曲线可知柱子破坏时轴向应变为3×10-3～6×10-3，而本文中柱子破坏时轴向应变在8×10-3以上，因此，GFRP筋HFRC柱的变形能力更强.

2.4 影响承载力、变形的因素

2.4.1 GFRP纵筋配筋率

图6(a)为其他条件相同但纵筋配筋率不同的3个试件和未配筋试件的应力- 应变曲线. 由图6(a)可知，纵筋配筋率对HFRC的应力- 应变曲线的影响很小. 由表3可知，随着纵筋配筋率的提高(1.06%、1.42%、1.77%)，试件G6-70、G8-70、G10-70的峰值荷载相对于未配筋试件N分别提高21.1%、22.9%、24.6%；HFRC峰值应力分别提高15.9%、16.1%、16.4%；HFRC峰值应变分别提高43.4%、39.8%、36.6%. 这表明随着纵筋配筋率的提高，纵筋分担的荷载增加，柱子承载力有所提高；而配筋率对HFRC峰值应力、应变的影响很小. 此外，当纵筋配筋率从1.06%增加到1.77%，峰值荷载时纵筋承担的荷载所占的比重Pb/Pmax从4.22%增加到6.55%，延性系数从2.53降低到1.56. 这表明随着纵筋配筋率的提高，纵筋承担的荷载比重增加，但也增加了柱子的脆性.

2.4.2 GFRP箍筋间距

图6(b)为其他条件相同但箍筋间距不同的三个试件和未配筋试件的应力- 应变曲线. 由图6(b)可知，箍筋间距越小，HFRC峰值应力和峰值应变越大，下降段越平缓. 由表3可知，随着箍筋间距的减小，试件G6-90、G6-70、G6-50的峰值荷载相对于未配筋试件N分别提高15.9%、21.1%、28.5%；HFRC峰值应力分别提高11.5%、15.9%、22.1%；HFRC峰值应变分别提高21.3%、43.4%、77.2%. 这表明箍筋间距越小，试件的承载力以及HFRC的峰值应力和峰值应变越大. 此外，当箍筋间距从90 mm降低到50 mm，峰值荷载时纵筋承担的荷载所占的比重Pb/Pmax从3.73%增加到5.02%，延性系数从1.63增加到3.50. 因此，较小的箍筋间距具有较好的约束效果.

3 GFRP筋HFRC柱的理论分析

3.1 箍筋对HFRC的有效约束应力

在轴压荷载的作用下，混凝土的侧向膨胀使得箍筋产生应力，箍筋的约束应力沿柱高分布不均匀，产生拱效应，如图7所示. 纵向方向上相邻箍筋的中间高度截面上的有效约束区面积Ae为最小，它与混凝土核心面积Acc之比被定义为有效约束系数ke[10]，圆柱的有效约束系数计算公式为

(2)

式中:s′是箍筋的净间距;ds是柱子截面直径上箍筋中轴线之间的距离.

文献[10]用有效侧向约束应力fle来计算混凝土达到峰值应力时圆形箍筋对混凝土的约束应力的大小.

fle=0.5keρvfh

(3)

式中:ρv表示体积配箍率;fh表示混凝土峰值应力时箍筋应力.

3.2 HFRC峰值应力时箍筋应力

图8为试件G6-50实测箍筋应变- 柱子轴向荷载曲线，由图8可知当HFRC达到峰值应力时GFRP筋并未达到极限状态，所以，计算HFRC峰值应力所对应的箍筋应力时不可以直接用箍筋的抗拉强度. 试验表明，若箍筋间距较大(90 mm)，HFRC峰值应力时横向膨胀较小，所对应的箍筋应变很小(1.524×10-3)，远远达不到箍筋的抗拉强度，当箍筋间距较小时(50 mm)，HFRC峰值应力所对应的箍筋应变相应增大(2.428×10-3)，箍筋的约束作用较强.

文献[11]假定混凝土到达峰值应力时所对应的箍筋应力是配箍率、箍筋形状、混凝土强度和截面尺寸的函数，回归出了混凝土峰值应力对应的箍筋应力的计算公式，根据本文试验数据回归出混凝土峰值应力对应的箍筋应力的计算公式为

(4)

式中:Ev为箍筋的弹性模量;fco为未约束混凝土强度.

3.3 HFRC的峰值应力和峰值应变

由试验结果回归出纤维混凝土的峰值应力和峰值应变分别为

(5)

(6)

fcc/fco和εcc/εco计算值和试验值吻合良好，见图9.

3.4 GFRP筋HFRC柱的承载力

由于FRP筋增强普通混凝土柱在峰值荷载时箍筋的约束作用很小，现有研究[1,5]中柱子承载力的计算公式都未考虑箍筋的贡献. 文献[1]中FRP筋增强普通混凝土柱的承载力公式为

P0=0.85f′c(A-Af)+0.35ffAf

(7)

式中：A表示柱子的截面面积；f′c表示标准圆柱体试件的抗压强度;ff表示纵筋的抗拉强度;Af表示GFRP纵筋的总截面面积.

文献[5]中FRP筋增强普通混凝土柱的承载力公式为

P0=φf(fcAc+λfEfεfAf)

(8)

式中:φf表示长柱稳定系数;fc表示混凝土轴心抗压强度;λf表示承载力折减系数，建议取λf=0.7;εf表示纵筋压应变，建议取εf=0.002 5;Ac、Af分别表示混凝土和纵筋截面面积.

本文试验结果表明，箍筋和纵筋对承载力都有贡献，柱子承载力公式由2个部分组成：约束混凝土的承载力和纵筋的承载力，其公式为

P0=fcc(A-Af)+EfεccAf

(9)

式中：P0表示柱子的承载力；A表示柱子的截面面积；Af表示GFRP纵筋的总截面面积；fcc用式(5)计算，εcc用式(6)计算.

将本文和文献[1，5]的承载力计算值与本文试验值对比，见图10. 由图可知，试验值与式(7)的计算值之比Pmax/P0在1.118～1.239，试验值与式(8)的计算值之比Pmax/P0在1.202～1.245，而试验值与式(9)的计算值之比Pmax/P0在1.007～1.020. 因此，式(7)和式(8)的承载力计算公式偏保守，这是由于FRP筋普通混凝土柱在峰值荷载时箍筋的约束作用很小，被忽略掉了，而GFRP筋HFRC柱在峰值荷载时箍筋的约束作用较大. 本文提出的公式能够较好地预测GFRP筋HFRC柱的承载力.

4 结论

1) GFRP筋HFRC柱的轴压过程中并未发生混凝土保护层剥落的现象，因此认为纵筋和混凝土变形协调.

2) 箍筋直径相同时，较小的箍筋间距具有较好的约束效果. 随着箍筋间距的减小，配箍率逐渐增大，HFRC的应力- 应变曲线下降段更加平缓，柱子的延性更好.

3) 随着纵筋配筋率的提高，试件的承载力有一定的提高，但HFRC峰值应变有所降低.

4) GFRP筋普通混凝土柱峰值荷载时箍筋的约束作用很小，承载力计算可不考虑箍筋的约束作用，而GFRP筋HFRC柱峰值荷载时箍筋的约束作用不可忽略. 本文提出的承载力公式由2个部分组成：约束HFRC的承载力和GFRP纵筋的承载力，能够较好地预测GFRP筋HFRC柱的承载力.

[1] MOHAMMAD Z A, HAMDY M, BRAHIM B. Axial capacity of circular concrete columns reinforced with GFRP bars and spirals[J]. Journal of Composites Construction, 2014, 18(1): 538-565.

[2] CHRIS P P, MICHAEL E G, LAWRENCE D R. Axial load behavior of concrete columns confined with GFRP spirals[J]. Journal of Composites Construction, 2013, 17(3): 305-313.

[3] MOHAMMAD Z A, HAMDY M M, OMAR C, et al. Confinement model for concrete columns internally confined with carbon FRP spirals and hoops[J]. Journal of Composites Construction, 2015, 141(9): 1-11.

[4] ANTONIO D L, FABIO M, ANTONIO N. Behavior of full-scale glass fiber-reinforced polymer reinforced concrete columns under axial load[J]. Structural Journal, 2010, 107(5): 589-596.

[5] 张继文, 龚永智. CFRP筋增强混凝土柱受力性能的研究[C]∥第五届全国FRP学术交流会论文集. 北京：土木工程学报， 2007: 495-504. ZHANG J W, GONG Y Z. Study on the behavior of reinforced concrete columns reinforced with CFRP tendons[C]∥Proceedings of the Fifth National Conference on FRP academic exchange. Beijing: China Civil Engineering Journal, 2007: 495-504. (in Chinese)

[6] 寇佳亮, 孙方辉, 梁兴文, 等. 箍筋约束纤维增强混凝土轴心受压性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2015, 36(7): 124-131. KOU J L, SUN F H, LIANG X W, et al. Experimental investigation on axial compression performance of fiber reinforced concrete confined with stirrups[J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(7): 124-131. (in Chinese)

[7] 俞家欢, 吴 琼, 赵同峰. 钢筋增强PP ECC长柱试验[J]. 沈阳建筑大学学报, 2012, 28(4): 619-625. YU J H, WU Q, ZHAO T F. Experimental research on steel reinforced PP ECC long columns[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University, 2012, 28(4): 619-625. (in Chinese)

[8] 邓宗才, 冯琦. 混杂纤维活性粉末混凝土的断裂性能[J]. 建筑材料学报, 2016, 19(1): 14-21. DENG Z C, FENG Q. Fracture properties of hybrid fibers reinforced reactive powder concrete[J]Journal of Building Materials, 2016, 19(1): 14-21. (in Chinese)

[9] PESSIKI S, PIERONI A. Axial load behavior of large-scale spirally-reinforced high-strength concrete columns[J]. Structural Journal, 1997, 94(3): 304-313.

[10] MANDER J B, PRIESTLEY M J N, PARK R. Theoretical stress-strain model for confined concrete[J]. Journal of Structural Engineering, 1988, 114(8): 1804-1826.

[11] 史庆轩, 王南, 田园， 等. 高强箍筋约束高强混凝土轴心受压应力- 应变全曲线研究[J]. 建筑结构学报, 2013, 34(4): 144-151. SHI Q X, WANG N, TIAN Y, et al. Study on stress-strain relationship of high-strength concrete confined with high-strength stirrups under axial compression[J]. Journal of Building Structures, 2013, 34(4): 144-151. (in Chinese)

(责任编辑 郑筱梅)

Axial Compression Performance and Theoretical Study of Full-size HFRC Columns Reinforced With GFRP Bars and Spirals

DENG Zongcai， JIA Pengxing

(The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

In order to study the axial compression behaviors of HFRC (hybrid fiber reinforced concrete)columns reinforced with GFRP(glass fiber reinforced polymer)bars and spirals，five HFRC columns reinforced with GFRP bars and spirals and one HFRC column were tested. The influence effects of the stirrup spacing and longitudinal reinforcement ratio were analyzed. The results indicate that the increase of longitudinal reinforcement ratio can enhance the bearing capacity and the ductility of small stirrup spacing specimens was significantly higher than that of large stirrup spacing specimens. According to the experimental data, the calculation formula of the peak stress, peak strain and the bearing capacity of GFRP reinforced HFRC columns are returned.

glass fiber reinforced polymer(GFRP)bars and spirals；hybrid fiber reinforced concrete(HFRC)；axial compression performance；axial capacity；deformation

2016- 04- 13

国家自然科学基金项目(51378032，51578021)

邓宗才(1961—)， 男， 教授， 主要从事新型工程材料及结构方面的研究， E-mail：dengzc@bjut.edu.cn

TU 375.3

A

0254-0037(2016)12-1873-07

10.11936/bjutxb2016040037