玄武巖纖維布約束混凝土方柱的尺寸效應(yīng)研究

0  引言

尺寸效應(yīng)是脆性材料的固有特性。目前國內(nèi)外關(guān)于混凝土材料尺寸效應(yīng)的研究對象主要集中于索混凝土、鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力}混凝土，并取得了一定的研究成果^[1]。對于纖維約束混凝土材料的尺寸效應(yīng)研究，目前仍處于起步階段，研究對象大部分是碳纖維布約束的圓柱體試件^[2]。方形試件由于存在直角，受力和破壞形式與網(wǎng)柱體不同，強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)也有異于圓柱體試件。關(guān)于約束混凝土材料方形試件的尺寸效應(yīng)研究，澳大利亞的Masia對碳纖維布約束素混凝土方形截面試件的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究^[3]，結(jié)果表明試件的軸向峰值應(yīng)力和軸向峰值應(yīng)變隨試件尺寸的增加而下降。本文通過試驗(yàn)研究了玄武巖纖維布約束素混凝土方柱的尺寸效應(yīng)，并在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上改進(jìn)了纖維約束混凝土材料的尺寸效應(yīng)強(qiáng)度模型。

1  玄武巖纖維布約束混凝土方柱的試驗(yàn)

1.1原材料

水泥選用P·0 32.5級水泥；粗骨料為最大粒徑25 mm的卵石，含水率0.244％；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.22的河砂。外加劑選用江西省創(chuàng)新外加劑有限公司生產(chǎn)的聚羧酸鹽高效減水劑LCX－9，摻入量為水泥質(zhì)量的0.5％；玄武巖纖維單向布由浙江得邦高技術(shù)纖維有限公司生產(chǎn)，其規(guī)格和性能如表1所示。試驗(yàn)采用的黏結(jié)膠水為湖南固特邦土木技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JN—C碳纖維加同專用膠。

1.2試件設(shè)計與制作

試件為素混凝土方柱，采用標(biāo)準(zhǔn)成型和養(yǎng)護(hù)工藝制作而成。試件分為3種不同的尺寸，共分9組，每組有3個試件，總共27個試件。試件如圖1所示，立方體抗壓強(qiáng)度為50.44 MPa。約束的方柱采用全包的粘貼方式。試件的尺寸及約束形式如表2所示。

1.3加載方式

100 mm×100mm×300 mm的試件采用100 t電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，150 mm×150 mm×450 mm及200 mm×200 mm×600 mm的試件在500 t長柱液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，加載過程按照GB 50152—1992《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。正式加載前，先對試件進(jìn)行物理對中和幾何對巾，然后正式分級加載。每級加載為極限承載力的10％，待讀數(shù)穩(wěn)定后再讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)加至80％～90％最大荷載后，級差減半，并繼續(xù)緩慢連續(xù)加載，直至試件破壞，

測量試件應(yīng)變的應(yīng)變片布置如圖2所示..試驗(yàn)中，電阻應(yīng)變片的應(yīng)變及百分表數(shù)值均通過DH381 9靜態(tài)測試儀采集。

2試驗(yàn)結(jié)果及尺寸效應(yīng)分析[Page]

2.1試驗(yàn)結(jié)果

和圓形柱不同，方形柱中FRP約束應(yīng)力分布是不均勻的，即使試件的角部倒為圓角，其角部的受力仍為最大，所以FRP約束混凝土方柱的破壞通常發(fā)生在角部，表現(xiàn)為角部FRP被拉斷。

試驗(yàn)得到3種尺寸試件的極限抗壓強(qiáng)度如表3所示。一層約束素混凝土方柱的極限抗壓強(qiáng)度與未約束素混凝土方柱相比極限抗壓強(qiáng)度都有所提高，但提高的幅度都不大，3種尺寸

的極限抗壓強(qiáng)度提高幅度分別為22.61％、12.28％、8.34％；二層約束素混凝土方柱的極限抗壓強(qiáng)度較未約束的素混凝土方柱相比有了明顯的提高，3種尺寸的極限抗壓強(qiáng)度提高的幅度分別達(dá)39.02％、22.03％、12.46%。

從表3數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，粘貼一層BFRP約束素混凝土方柱的極限抗壓強(qiáng)度提高的幅度較低，這是由于BFRP約束程度較小，使其應(yīng)力一應(yīng)變曲線中出現(xiàn)軟化段；粘貼二層BFRP約束素混凝土方柱的極限抗壓強(qiáng)度提高的幅度較高，這是由于BFRP約束程度相對來說較大，使其應(yīng)力一應(yīng)變曲線中出現(xiàn)強(qiáng)化段，使試件的極限抗壓強(qiáng)度得到進(jìn)一步的提高；在相同的約束層數(shù)下，不同試件的極限抗壓強(qiáng)度提高的幅度隨著尺寸的增大而降低，這說明FRP約束幾何相似的素混凝土方柱之間也存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于FRP約束大尺寸試件中FRP的用量相對來說較大，出現(xiàn)存在質(zhì)量問題的FRP纖維的可能性更大，纖維首先在這些地方發(fā)生斷裂，從而混凝土構(gòu)件發(fā)生破壞。

2.2極限抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)分析

從表3可以看出，玄武巖纖維布約束混凝土方柱的抗壓強(qiáng)度存在明顯的尺寸效應(yīng)。相同的約束層數(shù)，試件尺寸越大，其強(qiáng)度的測量值越小，不同尺寸約束試件的強(qiáng)度如圖3所示。從圖3可以看出，3種不同尺寸的未約束試件的抗壓強(qiáng)度基本相同，這是因?yàn)檫@3種試件的抗壓強(qiáng)度測量值都是同強(qiáng)度等級素混凝土方柱的軸心抗壓強(qiáng)度，所以差距不趕；試件約束后，由于纖維布對試件的橫向約束，使得不同尺寸試件的抗壓強(qiáng)度差距明顯，且約束層數(shù)越多，抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)越明顯。

若以200 mm×200 mm×600 mm試件為標(biāo)準(zhǔn)，其他約束形式與其相同的試件強(qiáng)度與其強(qiáng)度之比為強(qiáng)度換算系數(shù)，則得各試件抗壓強(qiáng)度的換算系數(shù)如表4所示。

2.3纖維約束混凝土試件抗壓強(qiáng)度模型及其修正[Page]

關(guān)于纖維約束混凝土試件的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的研究，并提出了一些相關(guān)的計算模型。其中具有代表性的有Mander et a1.^[4]和Lam and Teng^[5]的模型。

Mander et a1.在混凝土多軸破壞面提出的模型基礎(chǔ)上，提出了計算纖維約束混凝土的強(qiáng)度模型如下：

式中：f_cc一約束混凝土試件的強(qiáng)度，MPa；

f_c0一未約束混凝土試件的強(qiáng)度，MPa；

f₁－纖維側(cè)向約束強(qiáng)度，MPa。

Lam and Teng在比較已有的強(qiáng)度模型以及對大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)重新歸類整理并進(jìn)行回歸分析，最終得出了一個比較可靠的強(qiáng)度模型，即：

依照式(1)和式(2)對約束混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行了計算，結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，Mander模型的計算值明顯大于試驗(yàn)值；Lam and Teng模型的計算值和試驗(yàn)值比較接近，但仍存在一些差異。這主要是因?yàn)長am and Teng模型中沒有考慮尺寸效應(yīng)對約束混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。而在相同的約束程度的情況下，不同幾何尺寸的混凝土方柱抗壓強(qiáng)度之間明顯存在尺寸效應(yīng)。

針對Lam and Teng模型的不足，本文在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對Lam and Teng模型中有效約束系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，在其中加入與構(gòu)件幾何尺寸有關(guān)的參數(shù)，從而得到改進(jìn)的強(qiáng)度模型如式(3)所示。

式中：k₁－有效約束系數(shù)；

k_e－與構(gòu)件幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)。[Page]

利用本文的強(qiáng)度計算公式得到各約束混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度如表5所示。其中幾何尺寸系數(shù)取值如表6所示。由于考慮了尺寸效應(yīng)的影響，所以修改后的強(qiáng)度模型值更接近于試驗(yàn)結(jié)果。

3結(jié)論

本文開展了試件尺寸為100mm×l00mm×300mm、150mm×150 mm×450 mm、200 mm×200 mm×600 mm的玄武巖纖維布約束混凝土方柱的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。得到如下結(jié)論：

    (1)纖維約束試件具有明顯的尺寸效應(yīng)，且隨約束層數(shù)的增加，尺寸效應(yīng)更為明顯。

(2)以200 mmx200 mmx600 mm試件的抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，其他兩種尺寸的素混凝土試件抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)為1.002和0.997；一層約束試件的強(qiáng)度換算系數(shù)分別為1.055和1.131；二層約束試件的強(qiáng)度換算系數(shù)分別為1.086和1.232。

(3)在原有Lam andTeng模型的基礎(chǔ)上，加入了幾何尺寸系數(shù)。使原有強(qiáng)度模型考慮了尺寸效應(yīng)對試件強(qiáng)度的影響，從而使該模型更加合理可靠。

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