李 娜，汪海波，魏善斌，王夢(mèng)想

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 232001)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer/plastics，F(xiàn)RP)作為以高分子環(huán)氧樹脂為基體、玻璃鋼或碳纖維等為增強(qiáng)體而制成的復(fù)合材料，由于其具有輕巧、耐腐蝕、抗老化、絕緣等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于土木工程中[1-3]。當(dāng)前，為提高混凝土的各項(xiàng)性能而將FRP廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)工程中，針對(duì)FRP約束混凝土也已有諸多研究。

章雪峰等[4]對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)材料(glass fiber reinforced polymer/plastics，GFRP)管混凝土組合柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，結(jié)果表明GFRP管的約束會(huì)明顯提高組合長(zhǎng)柱的極限承載能力；龍躍凌等[5]對(duì)GFRP 管約束高強(qiáng)混凝土圓柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該圓柱的軸壓性能存在尺寸效應(yīng)，且其極限承載力和極限應(yīng)變均隨著壁厚的增大而增大。Rizkalla等[6]提出了一種用以預(yù)測(cè) FRP管混凝土柱在軸向荷載作用下的受力性能分析模型。除了上述對(duì)FRP管約束混凝土抗壓性能的研究，同時(shí)也有很多專家針對(duì)其抗彎性能及復(fù)合力學(xué)特性的研究。Hong等[7]通過(guò)對(duì)FRP管約束混凝土進(jìn)行受彎試驗(yàn)，研究了FRP管壁厚和纖維纏繞角度對(duì)其應(yīng)力和應(yīng)變的影響；李杰等[8]對(duì)FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)壓彎構(gòu)件進(jìn)行了非線性全過(guò)程分析，討論了軸壓比、長(zhǎng)細(xì)比、徑厚比等對(duì)極限水平荷載和極限水平位移的影響；王清湘等[9]研究GFRP管混凝土柱在低周反復(fù)荷載下其破壞形態(tài)及滯回性能，分析了混凝土強(qiáng)度、軸壓比等因素對(duì)柱延性的影響；楊刻亞等[10]研究了FRP管混凝土圓形管柱抗震性能，結(jié)果表明FRP管混凝土柱具有良好的滯回性能、耗能能力和延性。但目前這些研究主要集中在對(duì)FRP管混凝土的軸壓、壓彎及抗震特性等低應(yīng)變率力學(xué)特性研究上，針對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性變化規(guī)律的研究較少。梁磊等[11]對(duì)AFRP約束混凝土進(jìn)行了多次動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力對(duì)沖擊次數(shù)不敏感，數(shù)值穩(wěn)定性良好。

目前中外學(xué)者針對(duì)FRP類材料約束下的混凝土靜態(tài)力學(xué)及動(dòng)態(tài)壓縮性能進(jìn)行了諸多試驗(yàn)，得到了FRP管約束力可以明顯改善混凝土性能的結(jié)論，但對(duì)于FPR管約束混凝土動(dòng)態(tài)劈裂拉伸性能的研究較少，此外，試樣的尺寸較小，為了減少誤差，現(xiàn)選用材質(zhì)均勻的砂漿代替混凝土，在該背景下利用直徑74 mm的分離式霍普金森桿(SHPB)試驗(yàn)裝置系統(tǒng)對(duì)FRP砂漿管進(jìn)行動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)，研究高應(yīng)變率下FRP管壁厚度對(duì)砂漿動(dòng)態(tài)劈裂性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的是安徽理工大學(xué)沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室Φ74 mm的SHPB試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置如圖1所示。撞擊桿長(zhǎng)度為0.6 m，直徑為37 mm，入射桿和透射桿長(zhǎng)度分別為3.2 m和1.8 m，各桿件均由合金鋼制成，密度為7.8 g/cm3，彈性模量為210 GPa，縱波波速為5 190 m/s。

1.2 基本原理

通過(guò)粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片測(cè)量得到的入射波、反射波和透射波，并結(jié)合一維應(yīng)力波理論和應(yīng)力應(yīng)變均勻性假設(shè)，即可求得試樣的應(yīng)變率和應(yīng)變的三波法公式。

(1)

(2)

試樣的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度為

(3)

根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變均勻性假定，試樣受脈沖作用后兩端應(yīng)力相等，則

εt(t)=εi(t)+εr(t)

(4)

將式(4)代入式(1)～式(3)可得到二波法計(jì)算公式為

(5)

(6)

(7)

式中：E0為桿彈性模量，取210 GPa；A0為桿橫截面面積；C0為桿彈性縱波波速，取5 190 m/s；εi(t)、εr(t)、εt(t)分別為入射波、反射波、透射波在彈性桿上引起的應(yīng)變信號(hào)；t為應(yīng)力波持續(xù)時(shí)間；D、L分別為試樣直徑和厚度。

1.3 試樣制備

水泥選用42.5普通硅酸鹽水泥，砂選用粒徑為0.3 ～1.25 mm河砂，水選用自來(lái)水。砂漿配合比為水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4。

試驗(yàn)采用的試樣：FRP管外徑為74 mm，高度為38 mm，壁厚分別為2、3、4、5 mm。為了保證試樣的質(zhì)量，混凝土的制作過(guò)程嚴(yán)格符合相關(guān)規(guī)范的要求。

試樣制作過(guò)程：根據(jù)配合比，準(zhǔn)備好所用的水泥、砂和水，首先投入水泥、河砂在攪拌機(jī)中混合均勻，再依次注入自來(lái)水并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?；把FRP管放進(jìn)鋼模固定好之后，再把攪拌充分的試樣原料澆筑于FRP管中；隨后，把試樣放置于振動(dòng)臺(tái)上振搗，密實(shí)振動(dòng)成型后，用抹刀抹平，刮去多余的砂漿；靜置24 h后進(jìn)行編號(hào)、脫模；脫模取出試樣后，把試樣放在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，28 d后取出后將試樣的上下表面打磨滿足其平整度要求，隨后進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用SHPB試驗(yàn)裝置系統(tǒng)對(duì)FRP砂漿管試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)情況[12]，選取0.4、0.5、0.6、0.7 MPa 4種沖擊氣壓。每組加載條件選擇4個(gè)試樣，以應(yīng)力-應(yīng)變曲線第一個(gè)峰值應(yīng)力為試樣的動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度，而峰值應(yīng)力則取應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力的最大值。試驗(yàn)原始參數(shù)和計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 FRP砂漿管劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.2 FRP管混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

采用二波法原理處理SHPB試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到不同沖擊氣壓、FRP管壁厚的各個(gè)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 不同沖擊氣壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)圖2進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)FRP管混凝土動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可以分為4個(gè)階段。

(1)第一階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率基本保持不變，試樣應(yīng)力隨著應(yīng)變線性增長(zhǎng)，由于此階段的荷載并未使裂紋擴(kuò)展為宏觀裂縫，使原來(lái)的裂紋變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，試樣產(chǎn)生微小壓縮變形。

(2)第二階段：應(yīng)變率逐漸減小，直到應(yīng)力達(dá)到第一個(gè)峰值。曲線的斜率呈減小趨勢(shì)，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加繼續(xù)增加，增加幅度降低，試樣的微裂縫持續(xù)增長(zhǎng)，最后應(yīng)力達(dá)到第一個(gè)峰值，試樣核心砂漿達(dá)到抗拉強(qiáng)度。

(3)第三階段：“雙峰”之間，由于外側(cè)FRP管的約束作用，試樣微裂縫的擴(kuò)展受到限制，應(yīng)力隨著應(yīng)變降低；隨著應(yīng)力的繼續(xù)增加，即使外側(cè)有FRP管的約束作用，試樣的持續(xù)應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

(4)第四階段：第二個(gè)應(yīng)力峰值之后，應(yīng)變率為負(fù)，試樣已完全破壞，應(yīng)力隨試樣應(yīng)變的增加而迅速降低。

通過(guò)圖2可看出，相同工況下的FRP砂漿管試樣其動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀基本一致，且均出現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)現(xiàn)第二個(gè)應(yīng)力峰值高出第一個(gè)應(yīng)力峰值1.92%～28.41%。當(dāng)FRP管壁厚相同時(shí)，試樣動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度隨著沖擊氣壓的增大而上升，且應(yīng)變也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。而當(dāng)沖擊氣壓相同時(shí)，隨著FRP管壁厚的增加，可以觀察到其動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度不斷上升，但動(dòng)態(tài)應(yīng)變不斷下降。

FRP砂漿管由FRP管和砂漿兩種材料組成，在動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)前期，兩種材料受力狀況互不干擾，沖擊波首先作用到外側(cè)的FRP管上，隨后通過(guò)FRP管傳播到砂漿上，砂漿在沖擊波的作用下率先達(dá)到抗拉強(qiáng)度，表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線即為第一個(gè)波峰。沖擊后期，微裂縫不斷擴(kuò)展發(fā)育，由于FRP管延性明顯優(yōu)于砂漿，所以在FRP管約束作用下砂漿的受力狀態(tài)發(fā)生改變，且該約束效果隨著變形的加劇而愈發(fā)顯著。在這種約束作用下核心砂漿由一維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，其強(qiáng)度也由此得到了提升[13-15]。應(yīng)力狀態(tài)的改變表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線即為“雙峰”現(xiàn)象。

2.3 動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度變化

通過(guò)表1得到FRP砂漿管動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度與壁厚、沖擊速度的關(guān)系及動(dòng)態(tài)強(qiáng)度極差分析結(jié)果，如圖3、表2所示。

圖3 試件動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度與試驗(yàn)條件的關(guān)系

從圖3可知，動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度與沖擊速度呈正相關(guān)。可以看出在壁厚相同時(shí)，隨著沖擊速度的增大，其動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度均有不同程度的增加。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)壁厚為2 mm時(shí)，隨著沖擊氣壓的增大，其動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度分別提高了32.11%、63.16%、81.19%；壁厚為3 mm時(shí)，動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度分別提高了15.99%、22.27%、33.26%；壁厚為4 mm時(shí)，動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度分別提高了12.17%、25.49%、27.94%；壁厚為5 mm時(shí)，動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度分別提高了5.36%、10.37%、28.37%。

觀察圖3發(fā)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度-沖擊速度擬合直線的斜率隨著壁厚的增加在不斷減小，壁厚為2 mm時(shí)斜率達(dá)到2.43，隨著壁厚增加到3 mm和4 mm時(shí)斜率大小差異不大，但壁厚達(dá)到5 mm斜率降至0.98。說(shuō)明試樣動(dòng)態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)隨著壁厚的增加在逐漸減小，這種現(xiàn)象表明FRP管對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的增加起到了正面提升的作用。

極差分析的計(jì)算公式為

(8)

(9)

根據(jù)表2可直觀看出變量為壁厚時(shí)，極差為2.23，變量為沖擊氣壓時(shí)，極差為4.45，顯然沖擊氣壓對(duì)動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度的影響效果明顯高于壁厚對(duì)動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度的影響效果。

表2 動(dòng)態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度極差分析

2.4 劈裂破壞特性分析

由于篇幅限制，只對(duì)FRP管壁厚為5 mm的不同沖擊氣壓沖擊后的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，典型試樣破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 試樣破壞形態(tài)

由圖4可知，F(xiàn)RP砂漿管的破壞形態(tài)符合劈裂準(zhǔn)則，試樣沿徑向劈裂，將核心砂漿沿徑向一分為二，外側(cè)的FRP管外觀仍保持完整。FRP管壁厚度為5 mm，當(dāng)沖擊氣壓為0.4 MPa時(shí)，試樣加載方向只出現(xiàn)一條貫穿裂縫。沖擊氣壓增加到0.5 MPa時(shí)，在端部貫穿裂縫附近有少量細(xì)小裂縫。繼續(xù)增加沖擊氣壓到0.6 MPa，除了加載方向出現(xiàn)一條貫穿裂縫，在試樣的加載端部有小塊砂漿脫落。直到?jīng)_擊氣壓增加到0.7 MPa時(shí)，試樣加載端部有較大塊砂漿脫落，這是因?yàn)殡S著沖擊氣壓的增加，壓桿兩端對(duì)試樣施加的應(yīng)力逐漸增大，直到大過(guò)核心砂漿的抗拉強(qiáng)度，砂漿表面的微裂紋開始裂開并擴(kuò)展開來(lái)，因此會(huì)有局部破碎的現(xiàn)象出現(xiàn)。可以看出隨著沖擊氣壓的增大，試樣破壞程度越大。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同管壁厚度的FRP砂漿管進(jìn)行單軸動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

(1)由于試樣外側(cè)FRP管約束力的作用，沖擊過(guò)程中核心砂漿由一維應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)兩個(gè)波峰，即“雙峰”現(xiàn)象，且第二個(gè)應(yīng)力峰值比第一個(gè)應(yīng)力峰值高出1.92%～28.41%。

(2)試樣動(dòng)態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度隨著FRP管壁厚度的增加而增加，而應(yīng)變變化規(guī)律與之相反。在同一壁厚下，其動(dòng)態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度與沖擊速度呈線性關(guān)系，在壁厚2～5 mm，擬合直線斜率隨壁厚的增大而減小，說(shuō)明應(yīng)變率效應(yīng)隨之減弱。

(3)在動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)中，試樣的破裂方式是從中心向四周擴(kuò)展。當(dāng)沖擊氣壓較小時(shí)，試樣在加載方向出現(xiàn)一條貫穿裂縫，沒(méi)有砂漿塊脫落，而隨著沖擊氣壓的增加，除了加載方向出現(xiàn)一條貫穿裂縫，在試塊的加載端部有小塊砂漿脫落，且氣壓越大，這種脫落現(xiàn)象就越明顯。