FRP布材增強鋼筋混凝土樁水平承載性能研究*

張建偉, 樊亞龍, 婁蒙凡, 邊漢亮, 丁 樂

(1 河南大學土木建筑學院，開封 475004；2 河南省軌道交通智能建造工程技術中心，開封 475004)

0 引言

在樁基結(jié)構(gòu)加固工程中,往往要求材料具有較高的強度和抗侵蝕性。纖維復合材料因其輕質(zhì)高強、耐酸堿侵蝕的特性,被逐漸應用于一些有特殊要求的工程環(huán)境中[1-2]。已有研究表明,樁基不僅承受水平和豎向方向的荷載,還要受到海水、鹽漬土和其他惡劣環(huán)境的侵蝕,對樁身采用FRP材料加固,可同時提高承載力和耐腐蝕性。

已有眾多國內(nèi)外學者對FRP加固后的混凝土構(gòu)件承載性能進行了研究。Fam等[3]研究了FRP管樁的豎向承載能力,并通過試驗結(jié)果建立纖維增強混凝土構(gòu)件軸心受壓的約束模型。Giraldo等[4]通過模型試驗研究了黏性土中FRP樁和鋼樁的豎向承載能力,結(jié)果表明,FRP樁的豎向承載能力要大于鋼樁。Ilki等[5]研究了FRP布包裹的圓截面初始損傷混凝土柱的軸向承載能力,認為FRP加固初始損傷的混凝土柱與加固完好的混凝土樁的力學性能相差不大。Shao等[6]研究了FRP約束混凝土柱的循環(huán)響應問題,分析了循環(huán)荷載對FRP約束混凝土的應力-應變曲線的影響。Campione等[7]研究了BFRP布約束混凝土構(gòu)件的抗壓性能,從層數(shù)、包裹類型等方面對受約束試件強度和延性進行試驗,結(jié)果表明,受BFRP布約束的試件極限應變顯著增加,峰值應變是無約束試件峰值應變的5倍。對于FRP樁水平承載特性方面,Fam[8]進行了大尺寸玻璃纖維增強塑料圓管的試驗,研究了其抗彎性能。Murugan等[9-10]研究了玻璃和碳纖維聚合物兩種纖維加固對RC樁的水平承載力影響。Rayhani等[11]進行了軟黏土中FRP樁的模型試驗研究,以及纖維方向?qū)RP樁性能影響研究,并與普通鋼樁相比,FRP樁的性能更優(yōu)。Alsaad等[12]對CFRP包裹的混凝土圓柱在海洋環(huán)境中的性能進行了測試研究,隨著浸泡時間的增加,圓柱各項指標逐漸下降。徐寧等[13]對FRP布加固普通混凝土樁的承載性能進行了研究,結(jié)果表明,復合樁的水平承載性能較普通混凝土樁有一定的提升。此外,還有很多學者對FRP加固混凝土構(gòu)件進行數(shù)值模擬研究[14-16]。

目前,關于FRP布材加固鋼筋混凝土樁水平承載性能的研究相對較少。本文主要通過室內(nèi)模型試驗和ABAQUS有限元模擬,對不同F(xiàn)RP布材類型、不同包裹層數(shù)的單樁水平承載性能進行研究,進一步確定FRP布材對混凝土樁的最優(yōu)加固方式。研究結(jié)果可為FRP布樁水平承載力設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 模型與土體參數(shù)

模型槽的高為1.8m,直徑1.3m,槽壁為高強度鋼板,如圖1所示。

圖1 模型槽

土體選用河南省開封地區(qū)粉砂土。將模型樁放置于模型槽預定位置,然后采用土體進行分層填筑,每層填筑20cm進行整平壓實,保證土樣的均勻密實性。同時對土樣進行土工試驗,具體物理力學參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學指標

1.2 FRP材料

本文選用的FRP布為某公司生產(chǎn)玻璃纖維(GFRP)、碳纖維(CFRP)、玄武巖纖維(BFRP),如圖2所示,FRP布的材料性能如表2所示。

表2 FRP布的材料性能

1.3 模型樁

模型樁長1.5m,樁身截面0.1m×0.1m,保護層厚度10mm。鋼筋籠采用4根直徑為8mm的鋼筋綁扎。樁身采用C30混凝土,配合比水泥∶水∶砂∶石子為1∶0.45∶1.36∶3.0。樁身應變片位置見圖3。

圖3 樁身應變片布置圖

待模型樁養(yǎng)護28d后,在樁身粘貼FRP布。模型樁設計為三種類型,分別為鋼筋混凝土樁(簡稱RC樁),三種類型FRP布(CFRP布、BFRP布、GFRP布)加固的鋼筋混凝土樁(簡稱FRP布樁)。為探究不同類型、不同層數(shù)的FRP布對FRP布樁的水平承載能力的影響,本次試驗工況如表3所示。

表3 試驗工況

1.4 加載裝置

采用慢速維持加載法施加水平荷載,水平荷載由液壓千斤頂施加,通過XL-2116A型測力計(最小量程為1kN)確定每級施加的荷載。每一級荷載施加大小為500N,分十級加載最終荷載為5000N。百分表用磁力架固定在受力方向的中心點處。每級荷載施加后,隔5min觀察位移值,若前后讀數(shù)變化范圍小于0.01mm,即視為穩(wěn)定,并記錄樁身截面的應變片數(shù)據(jù)。加載裝置示意圖如圖4所示。

圖4 水平靜載試驗裝置

為了測得FRP布的抗彎剛度EI,利用自平衡反力架對模型樁進行彎曲試驗,將模型樁兩端放置于反力架支架的槽口,控制每級荷載增量為0.5kN。抗彎剛度試驗如圖5所示。

圖5 抗彎剛度試驗

2 試驗結(jié)果分析

2.1 模型樁抗彎剛度試驗結(jié)果

通過靜態(tài)應變儀記錄荷載作用下樁身截面的應變,然后利用強度理論計算樁的抗彎剛度[17],結(jié)果如表4所示。

表4 各樁抗彎剛度測定值

相較于RC樁,不同類型的FPR布樁抗彎剛度均有很大程度的提升,CG1、G1、G2、G3、B1、C1樁的樁身剛度分別提高了36.0%、16.0%、29.9%、40.4%、22.0%、27.6%。對于單層FRP布樁,包裹CFRP布的提升效果最優(yōu);混合包裹CFRP布和GFRP布的提升效果要優(yōu)于包裹雙層GFRP布;對比G1、G2、G3樁,樁身抗彎剛度隨包裹層數(shù)的增加呈非線性增加。

2.2 不同包裹層數(shù)對FRP布樁水平承載性能的影響

2.2.1 水平位移分析

根據(jù)模型試驗結(jié)果,得到不同包裹層數(shù)FRP布樁的水平荷載-位移曲線如圖6所示。當荷載較小時,FRP布尚未發(fā)生作用,樁頂?shù)奈灰瞥示€性增加。荷載繼續(xù)增大時,FRP布發(fā)揮包裹作用,減小了FRP布樁的水平位移。當荷載達到5kN時,RC、G1、G2、G3樁的樁頂水平位移分別為15.88、13.99、12.35、11.85mm。G1、G2、G3樁的樁頂水平位移分別比RC樁減小了11.9%、22.2%、25.3%,G3樁的樁頂水平位移比G1樁減小了15.2%。隨著包裹層數(shù)的增加,FRP布樁水平承載力隨之增加。

圖6 不同包裹層數(shù)FRP布樁水平荷載-位移曲線

在相同水平荷載作用下,隨著樁身包裹GFRP布層數(shù)增加,樁頂水平位移不斷減小。單樁的水平承載力主要由樁身抗彎剛度和樁周土體抗力決定。由于GFRP布的彈性模量是RC模型樁的3.8倍左右,樁身抗彎剛度隨布包裹層數(shù)的增加逐漸增大。在受荷載時,布的約束作用可以承受部分變形,并分擔受拉區(qū)所受到的作用力。隨包裹層數(shù)的增加,對混凝土的束箍作用也增大,樁的水平承載力隨之提高。GFRP布樁水平承載性能隨著包裹層數(shù)的增加而提升,與普通RC樁相比,GFRP包裹1層、2層、3層的樁頂水平位移分別減小了11.9%、22.2%、25.3%。隨著包裹層數(shù)的增加,水平位移的減小幅度逐漸減緩,原因是隨著纖維布包裹層數(shù)增多,纖維層之間粘結(jié)質(zhì)量越不容易得到保證,影響各纖維層的應力分配,部分纖維布的強度沒有完全發(fā)揮,造成纖維布的利用程度越低。

2.2.2 樁身彎矩分析

根據(jù)水平靜載試驗數(shù)據(jù),計算得到不同包裹層數(shù)FRP布樁在5kN水平荷載時的樁身彎矩分布曲線如圖7所示。

圖7 5kN水平荷載下不同包裹層數(shù)FRP布樁樁身彎矩分布曲線

隨著包裹層數(shù)的增加,樁身的最大彎矩減小。RC、G1、G2、G3樁的樁身最大彎矩分別為535.51、481.95、457.8、434.95N·m。G1、G2、G3樁的樁身最大彎矩分別比RC樁減小了10.01%、14.51%、18.77%,G3樁的樁身最大彎矩比G1樁減小了9.75%。彎矩隨著樁埋置深度的增加先增大后減小,在樁身底部附近趨近于0。樁身最大彎矩約在樁身1/3處,符合彈性長樁的樁身彎矩分布規(guī)律,且樁身最大彎矩所對應的埋置深度不隨包裹層數(shù)的改變而發(fā)生變化。在承受相同水平荷載作用下,樁身的彎矩值隨著包裹層數(shù)的增加而減小。

2.3 不同布材類型對FRP布樁水平承載性能的影響

2.3.1 水平位移分析

根據(jù)水平靜載試驗結(jié)果,得到不同布材類型FRP布樁的水平荷載-位移對比曲線如圖8所示。當荷載達到5kN時,RC、G1、B1、C1樁的樁頂水平位移分別為15.88、13.99、13.49、12.82mm。G1、B1、C1樁的樁頂水平位移分別比RC樁減小了11.9%、15.05%、19.26%,C1樁的樁頂水平位移比G1、B1樁分別減小了8.36%、4.97%。在相同水平荷載作用下,C1樁的水平承載性能最佳,表明CFRP布對于FRP布樁的水平承載性能的提升效果最好。

圖8 不同布材類型FRP布樁水平荷載-位移曲線

在加載初期,各試驗樁的水平位移增長趨勢基本一致,當樁身荷載達到1.5kN作用后,G1、B1、C1樁的水平位移的增長趨勢明顯要比RC樁平緩,說明在RC樁周包裹不同類型的FRP布,均可減小樁頂?shù)乃轿灰撇p緩加載后期位移的增長速率,提高樁體的水平承載性能。其中CFRP布的提高幅度最大,BFRP布次之,GFRP布最小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,FRP布為線彈性材料,其對樁體水平承載能力的貢獻隨著受拉區(qū)應變的增大而增大,CFRP布的彈性模量要比BFRP布和GFRP布大得多,對樁約束效果最明顯。

2.3.2 樁身彎矩分析

不同布材類型FRP布樁在5kN水平荷載時的樁身彎矩分布曲線如圖9所示。

圖9 5kN水平荷載下不同布材類型FRP布樁樁身彎矩分布曲線

圖9中,RC、G1、B1、C1樁的樁身最大彎矩分別為535.51、481.95、473.65、438.83N·m。G1、B1、C1樁的樁身最大彎矩比RC樁分別減小了10.01%、11.55%、18.05%,C1樁的樁身最大彎矩比G1、B1樁減小了8.95%、7.35%。彎矩隨著樁埋置深度的增加先增大后減小,埋置深度1.5m處接近于0。樁身最大彎矩處約在樁身1/3處。在承受相同的水平荷載作用下,樁身的彎矩GFRP布樁最大,BFRP布樁次之,CFRP布樁最小。

2.4 混合包裹對FRP布樁水平承載性能的影響

2.4.1 水平位移分析

根據(jù)水平靜載試驗結(jié)果,得到混合包裹(CFRP布+GFRP布)FRP布樁的水平荷載-位移曲線如圖10所示。

圖10 混合包裹FRP布樁的水平荷載-位移曲線

由圖10可以看出,當荷載達到5kN時,RC、CG1、G2樁的樁頂水平位移分別為15.88、11.83、12.35mm。CG1、G2樁的樁頂水平位移分別比RC樁減小25.5%、22.22%,CG1樁的樁頂水平位移比G2樁減小了4.2%,在相同水平荷載作用下,CG1樁的水平承載性能要略優(yōu)于G2樁,表明GFRP布+CFRP布混合包裹的提升效果要優(yōu)于包裹2層GFRP布。從纖維受力角度分析,在纖維受到拉力時,斷裂是一個排列發(fā)生的過程,當CFRP布達到極限受力狀態(tài)開始產(chǎn)生裂紋時,延伸率較高的GFRP布可以承受由延伸率較低的CFRP布斷裂而引起的額外荷載,使CFRP布的強度得到充分發(fā)揮。所以,與包裹2層GFRP布的方式相比,混合包裹的方式對于FRP布樁的水平承載性能的提升效率要更高。

2.4.2 樁身彎矩分析

混合包裹FRP布樁在5kN水平荷載時的樁身彎矩分布對比曲線如圖11所示。RC、CG1、G2樁的樁身最大彎矩分別為535.5、412.06、457.85N·m。CG1、G2樁的樁身最大彎矩分別比RC樁減小了23.05%、14.5%,CG1樁的樁身最大彎矩比G2樁減小了10.01%。在承受相同的水平荷載作用下,包裹2層GFRP布FRP布樁的樁身彎矩要大于混合包裹的FRP布樁。

圖11 5kN水平荷載下的混合包裹FRP布樁樁身彎矩分布曲線

3 數(shù)值模擬分析

采用ABAQUS有限元軟件對FRP布加固鋼筋混凝土樁的效果進行模擬,并進行試驗結(jié)果和模擬結(jié)果的對比分析。

3.1 有限元模型的建立

土體模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,樁身混凝土選用塑性損傷模型[18]。鋼筋選用線彈性模型。FRP材料選用各向異性的線彈性模型,在網(wǎng)格模塊(mesh)中將FRP布材定義為單層板。ABAQUS材料屬性中需要輸入單層板參數(shù)E1、E2、v12、G12、G13、G23的取值如表5所示。FRP布和樁身之間采用tie約束,鋼筋與混凝土之間采用embeded約束。樁側(cè)和樁底接觸分別定義切向接觸和法向接觸。模型網(wǎng)格劃分后如圖12所示。

表5 FRP布有限元模型參數(shù)取值

圖12 有限元模型網(wǎng)格劃分

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 荷載-位移曲線

通過ABAQUS軟件建立與試驗樁等尺寸的模型,得到荷載-位移曲線如圖13所示。

圖13 水平荷載-位移曲線

根據(jù)荷載-位移曲線,當荷載達到5kN時,CG1、G1、G2、G3、B1、C1、RC樁的樁頂水平位移分別為11.53、12.25、11.75、11.18、12.02、11.80、14.92mm。CG1、G、G2、G3、B1、C1樁的樁頂水平位移分別比RC樁減小了22.72%、17.90%、21.25%、25.07%、19.43%、20.91%。數(shù)值模擬FRP布加固RC樁的效果與試驗結(jié)果基本相同,模擬值與試驗值誤差百分比在±2.54%～±12.43%之間。

各試驗樁的有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果有一定程度上的誤差,這是由于數(shù)值模擬中簡化了一些工況,比如:將土體的屬性簡化為理想彈塑性模型、將土體視為單一均質(zhì)土體、FRP布粘貼效果過于理想化等。

3.2.2 彎矩曲線

經(jīng)過數(shù)值模擬計算,得到5kN水平荷載下的樁身彎矩曲線如圖14所示。

當荷載達到5kN時,CG1、G、G2、G3、B1、C1、RC樁的樁身最大彎矩分別為410.11、464.07、424.12、388.11、448.81、428.88、363.22N·m,模擬值與試驗值誤差百分比在2.27%～10.78%之間。

從圖14中可以看出,各樁試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的樁身最大彎矩值差別不大,但最大彎矩值的位置有所不同,各試驗樁身最大彎矩約在樁長的1/3處,數(shù)值模擬最大彎矩值約在2/5處,均符合彈性長樁的分布規(guī)律。

4 結(jié)論

本文考慮樁頂位移、樁身彎矩以及樁身剛度等指標,研究了FRP布混合包裹、不同包裹層數(shù)、不同布材類型對FRP布樁水平承載性能的影響,同時結(jié)合有限元模擬軟件ABAQUS建立等尺寸模型,得出以下結(jié)論:

(1)根據(jù)G1、G2樁和G3樁試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),相同樁徑的FRP布樁水平承載性能隨著FRP布包裹層數(shù)的增加而提升。G1、G2、G3樁的樁頂水平位移分別比RC樁小了11.9%、22.2%、25.3%,G3樁的樁頂水平位移比G1樁小了15.2%,G1、G2、G3樁的樁身最大彎矩分別比RC樁減小了10.01%、14.51%、18.77%,G3樁的樁身最大彎矩比G1樁減小了9.75%。

(2)不同布材類型的FRP布樁中,CFRP布對于FRP布樁的水平承載性能的提升效果最好。G1、B1、C1樁的樁頂水平位移分別比RC樁小了11.9%、15.05%、19.26%,C1樁的樁頂水平位移比G1、B1樁分別小了8.36%、4.97%。G1、B1、C1樁的樁身最大彎矩分別比RC樁減小了10.01%、11.55%、18.05%,C1樁的樁身最大彎矩比G1、B1樁減小了8.95%、7.35%。

(3)混合包裹的提升效果要略優(yōu)于包裹2層GFRP布。CG1、G2樁的樁頂水平位移分別比RC樁小了25.5%、22.22%,CG1樁的樁頂水平位移比G2樁小了4.2%,CG1、G2樁的樁身最大彎矩分別比RC樁減小了23.05%、14.5%,CG1樁的樁身最大彎矩比G2樁減小了10.01%。

(4)模型樁有限元模擬得到的水平荷載-位移曲線與樁身彎矩分布曲線與試驗結(jié)果擬合較好,彎矩隨著埋置深度的增大先增大后減小,最大彎矩約出現(xiàn)在樁長的2/5處,符合彈性長樁的樁身彎矩變化規(guī)律。結(jié)果證明,采用ABAQUS軟件模擬FRP布加固RC樁是可行的。