GFRP-珊瑚礁混凝土柱偏心受压承载性能及弯曲延性分析.pdf

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、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:TU377.9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,Nanning 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 columns 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 eccentricities 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 curvature 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 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;sectionalcurvature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、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 reinforced 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 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 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 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 reducerMix 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