内芯钢筋对SFCB混凝土柱大偏心受压性能影响

严利虎1季翔2葛文杰3

1南京长江都市建筑设计股份有限公司，江苏南京210002

2南京长江都市建筑设计股份有限公司，江苏南京210002

3扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州225127

摘要：本文设计制作了2根SFCB混凝土柱，纵向受力筋分别为S6B20（内芯钢筋6mm外包3mm厚BFRP）和S8B30（内芯钢筋8mm外包2mm厚BFRP）。对2根SFCB混凝土柱进行偏心距150mm的偏心受压试验，分析了内芯钢筋与外包纤维截面面积比（As/Af）对构件载力、挠度、裂缝及破坏形态的影响。

关键词：SFCB，混凝土柱，大偏心，受压性能

0引言

钢材因其质优价廉、延性好等特点在工程中应用广泛。但从实际使用的情况来看，一些处于恶劣侵蚀环境下的混凝土结构（如严寒地区、海洋及近海地区等）[1-2]，经常会因耐久性不足而退出工作。深入研究发现，内部钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土结构提前退出工作的主要原因[3]。

1941年，美国人Jackson首次提出FRP材料[4]。FRP筋具有轻质高强、耐腐蚀、无磁性等优良性能[5]，在工程上得到了广泛的应用[6-7]。但是纯FRP筋为线弹性材料，不存在类似于钢筋的屈服平台，FRP筋混凝土结构破坏均表现为脆性破坏，延性比较差。设计规范一般都建议将FRP筋混凝土构件设计成超筋构件，利用受压区混凝土的塑性变形来获得构件的延性。FRP筋材料弹性模量较低，与配置相同截面面积的钢筋混凝土构件相比，FRP筋混凝土构件表现出更大的挠度和裂缝宽度，在正常使用极限状态下常将FRP筋的性能利用率作为参考依据。FRP筋材料的强度不能充分发挥，限制了FRP混凝土结构的推广应用[8-9]。

国内外学者为改善FRP筋混凝土结构的适用性，进行了很多相关研究工作。部分研究集中在设计方法的改进上，总结出用FRP筋代替钢筋混凝土结构边角区易受侵蚀的钢筋形成钢筋和FRP筋混合配筋混凝土结构，既能利用了FRP筋抗拉强度高、耐腐蚀性强的特点又综合了钢筋可解决结构因脆性导致突然破坏的优点，较好的解决了钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀导致的耐久性问题和FRP筋混凝土结构表现出的挠度和裂缝宽度增大的问题[10-13]。

另外一类研究集中在材料自身性能的改变上。东南大学吴智深、吴刚教授等人首先提出并生产制备了一种以普通钢筋为内芯，外包纵向连续纤维的新型纤维增强复合材料：钢-连续纤维复合筋（Steel-FRPCompositeBar，简称SFCB）[14]。SFCB同时具有强度高、延性好、弹性模量较高、稳定的二次刚度和优异的耐腐蚀性等特点。东南大学吴智深、吴刚教授[15]对制备的钢-连续纤维复合筋进行试验，并得出了它的应力-应变关系。

对SFCB的研究已成为众多学者研究的重点，线弹性材料FRP与弹塑性钢筋相复合，得到了稳定的二次刚度，带来了力学性能上的改变，为解决钢筋混凝土结构耐久性问题迎来了突破点。但近年来针对SFCB混凝土柱受压性能的研究较少，本文设计制作了2根SFCB混凝土柱，并对其进行偏心距150mm的偏心受压试验，分析了内芯钢筋与外包纤维截面面积比As/Af对构件承载能力、破坏形态、挠度和裂缝方面的影响。并通过ABAQUS增加模拟了3种内芯钢筋等级的SFCB混凝土柱，分析其影响。

1筋材拉伸试验

1.1拉伸试验

SFCB外包的玄武岩纤维，抗剪强度低，不能用夹具直接夹持。参照《GuideTestMethodsforFiber-ReinforcedPolymers(FRPs)forReinforcingorStrengtheningConcreteStructures》设计制作了2组拉伸试件，每组3个试件。拉伸试件示意图见图1。测得的2种SFCB力学性能见表1

式中：Es一钢筋弹性模量；Ef—纤维弹性模量；As—钢筋截面面积；Af—外包纤维面积；A—SFCB截面面积（包括内芯钢筋和外包纤维）；fy—钢筋屈服强度；fsy—SFCB屈服强度；fsu—SFCB极限抗拉强度；εy—SFCB屈服应变（以内芯钢筋屈服作为SFCB屈服点）；εfu—SFCB极限应变（以外包纤维拉断为SFCB极限应变点）；εs,max—钢筋断裂应变；σsf—SFCB综合应力。

图2中给出了按式（1）计算的受拉应力-应变理论曲线与试验曲线对比，结果显示理论曲线与试验曲线吻合完好。

2柱受压试验

2.1构件设计

本次试验设计制作了2根SFCB混凝土柱。一根纵向受力筋为S6B20，一根纵向受力筋为S8B30。其中S6B20表示内芯钢筋为6mm外包3mm厚玄武岩纤维的SFCB，S8B30表示内芯钢筋为8mm外包2mm厚的玄武岩纤维的SFCB。SFCB内芯钢筋、箍筋与牛腿处弯筋均采用HRB400级钢筋。构件长度为1080mm，柱中截面尺寸为b×h=120mm×180mm，牛腿处截面尺寸为b×h=120mm×360mm。构件配筋示意图见图3。

混凝土采用C35细石商品混凝土，纵筋保护层厚度为20mm。实测混凝土的fcu，m=43.85MPa，fck=28.87MPa，ftk=2.74MPa，Ec=3.329×104MPa。

2.2构件制作

构件在施工现场进行浇筑。首先在每根SFCB中部对称粘贴两个钢筋应变片。将粘贴好的SFCB绑扎成钢筋笼。在模板表面刷一层脱模剂，放置钢筋笼时用20mm塑料垫块卡住保证保护层厚度。浇筑完成后用塑料薄膜盖住防止水分蒸发，24小时候脱模。每周2次进行洒水养护。

2.3加载装置和加载步骤

本次试验在用YAJ-5000试验机进行。试验之前在构件上下两端放置铰支座形成两端铰支。试验之前预估极限荷载。试验时，首先采用极限荷载计算值的10%进行预加载，使侧向变形稳定。受拉区混凝土开裂之前每级按预估荷载的5%进行加载。受拉区混凝土开裂后每级按极预估荷载的10%进行加载。加载前期，每级持荷5min。接近破坏时，每级持荷10min。加载示意图见图4。

2.4试验现象

Z1柱试验现象：增加荷载至28kN，首先在接近受拉侧柱中出现两条细微裂缝，裂缝宽度不可测。继续加一级荷载，瞬间出现3条裂缝分别位于柱中心点以及两侧，长度均为40mm宽度为0.05mm。荷载加载至68kN，上下部牛腿处对称出现两条长30宽0.06mm裂缝。荷载增加至73kN时，受拉侧纵筋屈服。增加荷载至128kN，上下部牛腿处同时开始出现斜裂缝。荷载加载至133kN，受压区混凝土被压碎，构件破坏，破坏时最大裂缝宽度为0.68mm。构件为大偏心受压破坏，破坏形态见图5。

Z2柱为偏心距为150mm的偏心受压构件，首先在柱中心点上侧出现一条长25mm宽0.05mm的裂缝。继续加一级荷载，柱中心点下方和下部第二个测点处各出现一条裂缝。荷载增加至35kN，上部第二个测点处出现两条长45mm的新裂缝。荷载增加，跨中裂缝相比较两侧裂缝发展较快。荷载增加至85kN时，受拉侧纵筋屈服。继续增加荷载至95kN，裂缝全部出现，一共9条，下部裂缝较密上部比较稀。继续增加荷载至130kN，受压区混凝土被压碎，构件破坏，破坏时最大裂缝宽度为0.60mm。构件为大偏心受压破坏，破坏形态见图6。

图7给出了柱中区域沿高度方向的平均应变与相应位置的纵筋应变图。图中可以看出从开始加载到最终破坏，荷载作用下，实测的混凝土截面平均应变沿高度方向的分布近似为直线分布，纵筋应变与对应位置混凝土应变基本相同，混凝土与内部纵筋能协同变形无滑移，基本符合平截面假定。S8B30混凝土柱的受压区高度小于S6B20混凝土柱的受压区高度，即As/Af越大，受压区混凝土高度越大。

图8中给出了各级荷载作用下柱的弯曲变形图。在加载各阶段柱的弯曲变形图均符合半个正弦形状，且半弦形趋于光滑，从而验证了两端铰支座的有效性。相同荷载作用下S8B30混凝土柱的侧向变形小于S6B20混凝土柱，即As/Af越大，构件的抗弯刚度越大，抵抗变形能力越强。

图9中给出了各级荷载作用下荷载-混凝土压应变曲线。构件屈服前，两根构件的荷载-混凝土压应变曲线相重合，表明此阶段两者受压区混凝土的受压状态相一致。屈服之后，相同荷载作用下S8B30混凝土柱的压应变小于S6B20混凝土柱，表明As/Af越大，受拉纵筋承担拉应力越大。

图10给出了各级荷载作用下两侧纵筋的荷载-筋材应变曲线。构件屈服之前，2种As/Af的构件受拉SFCB应变接近。屈服之前S8B30的弹性模量比S6B20的弹性模量大，即构件屈服前，S8B30所承担的拉应力更大；屈服之前受压区纵筋应变相接近，可以推断S8B30混凝土柱受压区混凝土高度大于S6B20混凝土柱。构件屈服之后，由于S6B20二次刚度比S8B30小，应变增长也比S8B30快。最终破坏时，受拉侧S6B20的利用率41%，受拉侧S8B30的利用率为51%。由此可见，As/Af越大，SFCB的利用率也越大。

图11给出了各级荷载作用下最大裂缝宽度曲线。从出现裂缝直至构件破坏，2种SFCB混凝土柱的荷载-最大裂缝宽度曲线的走势相似。构件屈服前，S8B30混凝土柱的裂缝宽度较大，屈服之后裂缝宽度较小，且最终破坏时，S8B30混凝土柱最大裂缝宽度较小。

3结论

通过对SFCB混凝土柱进行大偏心受压试验，得出如下结论：采用复合法得出的SFCB应力-应变曲线与试验曲线基本一致。SFCB与混凝土之间能协同变形无滑移，符合平截面假定。大偏心受压作用下，内芯钢筋与外包纤维截面面积比（As/Af）越大，受压区混凝土高度越大，构件的抗弯刚度越大，抵抗变形能力越强；As/Af越大，受拉SFCB承担应力越大，纵筋利用率越高；As/Af越大，极限承载力越大，极限荷载作用下最大裂缝宽度越小。内芯钢筋强度越高，SFCB混凝土柱抗弯性能越好，极限承载力越高。

参考文献

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