BFRP筋混凝土偏压短柱性能与承载力计算方法

林丽萍

摘要：试验通过7根BFRP筋混凝土偏心受压柱力学性能试验，分析破坏形态，测量柱中截面的应变分布、柱中侧向挠度、BFRP纵筋及混凝土的应变.试验结果表明：BFRP筋混凝土偏压柱的破坏特征均为混凝土压碎破坏；正截面应变满足平截面假定；构件的极限承载力随着偏心距的增大而减小，随着单侧配筋率的增大而有所增大；混凝土强度的提高可以显著提高构件的极限承载力.提出了BFRP筋混凝土偏心受压短柱的承载力计算方法，理论公式的计算结果同试验结果相比误差较小。

关键词：BFRP筋混凝土；偏压短柱性能；承载力；计算方法

引言

钢筋混凝土作为一种质优价廉的材料广泛运用于现代建筑、工业等诸多领域。尽管随着科技的进步，涌现出一大批满足采光等现代要求的玻璃幕墙结构以及轻质高效绿色的预制塑料板材结构和钢结构，但是钢筋混凝土作为主流建筑材料的地位仍无法撼动，依旧是我国乃至全世界重要的建设材料。钢筋混凝土作。为一种人工合成建筑材料，其在实际的工程运用中存在与生俱来的很多缺点，其中包括混凝土结构自重大，在酸碱盐等腐蚀性环境中的耐久性差，以及由于内部采用钢筋增强因而对电磁波的干扰比较强烈等，这些缺点严重限制了钢筋混凝土结构的使用范围。

1概述

FRP筋在耐久性方面具有独特的优点，随着科技发展的进步以及生产工艺的改进，FRP筋替代钢筋无论从防腐性能、经济效益、施工方式还是从生产的难易程度来看，都已达到或接近实际运用水平。因此，对FRP材料及其混凝土结构的研究已经成为研究的重点。同样也进行一组CFRP筋混凝土偏心受压柱的力学试验。试验采用CFRP筋作为纵筋以及箍筋，试件的尺寸为230mm×230mm×1640mm。进行CFRP筋混凝土柱偏心受压试验，考虑了偏心距、配筋率和混凝土强度3组因素对偏压柱的极限承载力、破坏特征、柱中截面应变分布和侧向挠度等特征的影响。开展3根GFRP筋混凝土柱轴心受压性能试验和12根GFRP筋混凝土柱偏心受压性能试验，考虑了偏心距、配筋率、混凝土强度和名义长细比等因素对其力学性能的作用。

2试验方法

2.1BFRP筋混凝土偏心受压柱试件设计与制作

本试验的变化参数分别为混凝土强度、偏心距以及配筋率，使用的BFRP筋表面有喷砂处理，具有良好的摩擦性能和咬合作用，故没有进行其他形式的锚固处理。本试验制作了7个BFRP筋混凝土偏心受压短柱，试验设计如表1所示，试件的尺寸及配筋如图1所示。

表1BFRP筋混凝土偏心受压短柱试验设计表

对于BFRP筋混凝土偏心受压短柱表面混凝土的应变测定，选用栅长×栅宽为80mm×5mm的电阻应变片采集。测量BFRP筋混凝土偏压柱受压侧混凝土应变的应变片在受压侧中部以35mm的间距粘贴三个，编号分别为11、12、13，然后在其上下位置各再粘贴一个电阻应变片，编号为10和14；测量BFRP筋混凝土偏压柱受拉侧混凝土应变的应变片，在受拉侧的中间也同样布置三个电阻应变片，编号为5、6、7，然后在其上下位置接近牛腿处各再粘贴一个电阻应变片，编号为8和9；在柱子的两个侧面分别以42mm的间距各粘贴4个电阻应变片，用来验证平截面假定，编号分别为1、2、3、4和15、16、17、18.混凝土表面粘贴电阻应变片的情况如图2所示。

图1柱子截面尺寸及配筋图

图2混凝土应变片测点布置示意图

2.2试件加载装置及加载过程

试验在郑州大学土木工程结构实验室进行，加载设备为500t岩石三向应力试验机，如图3所示.在试验加载前，对BFRP筋混凝土偏压柱进行几何对中法安装，当开始加载时，采用预估的破坏荷载的1/15~1/10进行分级加载.当接近构件的开裂荷载或者极限荷载时，将加载值减小为原来的1/3~1/2缓慢加载.当构件达到开裂荷载后，对每级荷载下裂缝的宽度以及开展情况进行仔细的观察并且详细记录.每级荷载加载完毕后持荷3~5min的时间，待构件稳定后再进行试验数据的采集和记录。试验的过程中要严格控制加载设备的加载速率，本文试验由于是手动操作所以尽量控制加载速度在20kN/min左右，同时注意采集数据过程中各应变的变化情况以及对应的构件的变化情况。

图3500t岩石三向应力试验机

3试验结果与分析

3.1试验过程与试件破坏形态

在加载的初期试件并没有明显变化，随着荷载的逐渐上升，受拉区混凝土开始陆续出现横向的贯穿裂缝。当达到破坏荷载时，受压区混凝土也已经开始剥落。受拉区混凝土的开展裂缝均匀分布于BFRP筋偏压柱的受拉侧，并且当受压区混凝土被压坏时，受拉区裂缝的开展不大，说明BFRP筋起到了很好的抗拉效果，并且没有与混凝土出现黏结滑移的现象，两者间的锚固黏结性能良好。

3.2混凝土压应变

在试件的加载初期，应变曲线表现出明显的线弹性特征，荷载-混凝土应变关系曲线近似为一条直线。随着荷载的增大，混凝土压应变开始迅速增大，直到构件破坏为止，曲线表现为非线性关系。整体来看，除了试件C30-10-75破坏时的混凝土应变小于混凝土的极限压应变0.0033外，其余试件破坏时的混凝土应变均大于混凝土的极限压应变。

3.3平截面假定

试件在加载过程中，BFRP筋与混凝土变形协调，截面平均应变近似呈线性分布，符合平截面假定。因此，在BFRP筋混凝土偏心受压柱承载

力计算时，BFRP筋与混凝土变形一致，黏结完好，可以采用平截面假定进行承载力计算。

3.4BFRP纵筋应变

由荷载-BFRP筋应变图可以看出，在构件加载的前期，也就是荷载没有达到开裂荷载之前，构件的荷载-BFRP筋应变曲线近似为直线，即存在一小段弹性阶段。当构件开裂后，其荷载-BFRP筋应变曲线开始呈现不规则的非线性走势，并随着荷载的增加，应变的增长速度逐渐加快，直到达到破坏荷载。并且所有的构件在达到极限荷载时，不论是受拉区BFRP筋还是受压区BFRP筋，其应变值均没有超过其极限应变。在其他因素一致的条件下，偏心距越大，BFRP筋抗拉强度的利用率也就越高。但是对于受压的BFRP筋来说，偏心距的变化对其抗压强度的利用率影响不大，其利用率大致为20%左右。所以随着配筋率的增大，则构件在破坏时BFRP筋强度的利用率有减小的趋势，本文试验中在直径为10mm时，BFRP筋强度的利用率最大。BFRP筋混凝土偏压柱中筋材的应变大小同混凝土的强度之间并没有很强的规律性。

结语

本次试验制作的BFRP筋混凝土偏心受压柱，其最终破坏模式均为受压区混凝土先被压碎，受拉区BFRP筋保持完好。此破坏模式类似于钢筋混凝土中超筋梁的破坏模式。在试件加荷过程中，混凝土与BFRP筋纵筋变形协调，正截面应变符合平截面假定。所以在进行承载力计算时，平截面假定同样适用。BFRP筋偏压柱的荷载-侧向变形曲线可以分为两个阶段。第一个阶段构件未开裂，曲线呈线性关系且变形增长较慢；第二阶段，构件开裂，上升曲线呈非线性并且变形增长较快。本文试验中采用C30的混凝土时，BFRP筋的抗拉强度和抗压强度的利用率最高，采用C45的混凝土时，BFRP筋的强度利用率最差。

参考文献：

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