FRP約束混凝土研究分析

1、<div class="article_leftBox"></h2><p><h2>FRP 約束混凝土研究分析 <span> 莊 勇 金成華 </span>摘要：首先回憶了 FRP材料的應(yīng)用歷史,指出采用FRP材料外貼/包裹混凝土方式加固既有結(jié)構(gòu)的有效性和合理性.在對近年來國內(nèi)外 FRP約束混凝土柱研究成果總結(jié)的根底上 , 分析了國內(nèi)外約束圓形、方形的混凝土柱體的應(yīng)力、應(yīng)變 , 本構(gòu)曲線及相關(guān)參數(shù)的模型研究現(xiàn)狀.在此根底上 , 指出了國內(nèi)外研究成果中存在的問題 , 提 出了有待改良的方向. <br/

2、> 關(guān)鍵詞 ：FRP 加固修復(fù)約束混凝土本構(gòu) <br/> 中圖分類 號(hào):TU56文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：1007-3973 (2021) 07-069-03 <br/>隨著使用時(shí)間的增長以及長期受到惡劣環(huán)境腐蝕、 不利荷載作用等條件的影響 , 橋梁、房屋等建筑的實(shí)際承載能 力不斷下降. 然而對不滿足性能要求的下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行置換需要花費(fèi)巨大的物力、 人力和財(cái)力 , 因此需要一種新的加固和修復(fù)方法用來延長橋梁等建筑的使用壽命.使用復(fù)合材料約束混凝 土柱便是其中之一. <br/> 1FRP 應(yīng)用簡史 <br/> FRP(Fiber Reinforc

3、ed Polymer, 全名為纖維增強(qiáng)聚合物 )是一種人工合成材料 ,由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn) ,FRP 最初被大量應(yīng)用 于航空航天以及運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域. 從上世紀(jì) 60 年代開始 , 隨著全球建筑行業(yè)的高漲 ,FRP 材料 也開始踏入土木工程的舞臺(tái).FRP在土木領(lǐng)域的應(yīng)用最初是以制成筋材的形式出現(xiàn),主要用于代替惡劣環(huán)境下?lián)p壞的鋼筋.FRP材料與鋼材相比具有比重小,比強(qiáng)度高,比剛度高,可設(shè)計(jì)性強(qiáng), 抗疲勞 , 耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) ; 而且 ,FRP 材料是線彈性材料 , 可以持續(xù)有效的提供約束應(yīng)力 直至FRP材料破壞.Matsuda(1990)對在可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域粘貼CFRP片材的橋墩進(jìn)行了性 能

4、 測 試 , 結(jié) 果 表 明 粘 貼 CFRP 片 材 有 效 的 降 低 了 塑 性 鉸 出 現(xiàn) 的 幾 率;Priestley&Seible(1991,1993)對外部包裹 GFRP材料的40%墩比例模型進(jìn)行了測試 ,結(jié)果說明試件的強(qiáng)度和延性都得到了很大的提升;Saadatmanesh(1994)提出了一種用GFRP帶纏繞加固橋墩的新技術(shù) , 并認(rèn)為使用復(fù)合材料包裹的方法來加固現(xiàn)存的混凝土柱是可行 的;Seible(1995) 測試了一種全新的CFRP加固系統(tǒng),采用一種全自動(dòng)機(jī)器圍繞著混凝土柱將CFRP纖維絲編織成連續(xù)織物并獲得成功;Nanni和Bradford(1995)證實(shí)FR

5、P包裹物可以有效的提升混凝土柱的強(qiáng)度和延性；Mirmiran和Shahawy(1996)認(rèn)為FRP材料不僅僅能起到加固作用,還能作為澆注混凝土的模板和一種新的結(jié)構(gòu)形式；Xiao Y(1997)對經(jīng)過FRP材料加固后的橋墩模型進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果說明用FRP包裹混凝土柱不僅能提升其強(qiáng)度和延性,還能延緩節(jié)點(diǎn)處由于內(nèi)部鋼筋搭接失效而造成的脆性破壞.<br/>由于眾多的研究說明采用FRP包裹加固混凝土柱有很大優(yōu)勢,并且隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步,FRP材料的價(jià)格逐漸下降,因此FRP材 料成為了加固領(lǐng)域中的材料首選.1993年日本最先采用了 FRP布纏繞約束的方法來加固煙囪,并取得了不錯(cuò)的效果 ; 其

6、后美國薩克拉曼多 (Sacramento) 市的西部 Yolo 高架橋中 3000 多根 柱采用了 GFRP 的預(yù)制護(hù)套加固 ;同樣采用 FRP 對橋梁進(jìn)行加固的還有日本的 Shinmiya 橋、 Tabras Golf Club 橋 、 Birdie 橋 和 Sumitomo 橋 等 , 美 國 的 Rapid City 橋 , 德 國 的 Lunensche2Gasse 橋、 Ulenberg2Strass 橋和 Ludwigshafen 橋等.近年來 , 我國也逐漸開始 應(yīng)用FRP這種新型材料.湖南溆浦大江口橋、上海寶山飛云橋、及南京長江大橋引橋、廣東 官汕線郭屋樓橋、韶關(guān)地區(qū)風(fēng)村橋以及

7、東莞市的曲海和蓬廟兩座大橋等都采用了粘貼FRP布的加固方法 , 并且 2000 年完成了我國首部 FRP 片材加固設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程.<br/><br/> 圖1-1 CFRP加固橋主梁<br/>2FRP約束混凝土柱性能國外研究現(xiàn)狀<br/>清楚了解FRP包裹混凝土柱的力學(xué)性能是FRP材料在工程中應(yīng)用的前提和根底.近二十年來,國外學(xué)者對FRP包裹混凝土進(jìn)行了大量研究.研究內(nèi)容涉及到靜力荷載行為、動(dòng)力荷載行為； 橫向變形性能、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變、應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線模型 ; 截面形狀影響、尺寸影響、 FRP 用量影響、FRP種類影響、混凝土強(qiáng)度影響等.

8、統(tǒng)計(jì)分析說明,對FRP的研究可分為兩大類：一類是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納、總結(jié)以及基于此的半經(jīng)驗(yàn)、半理論分析模型.這類模型構(gòu)造比擬簡 單便于設(shè)計(jì)應(yīng)用 ; 另一類是基于塑性理論、能量法那么的分析類模型.此類模型精確度高, 但需要進(jìn)行數(shù)值迭代 , 求解非常繁瑣 , 局部模型還利用有限元軟件進(jìn)行了非線性有限元分析. <br/> 2.1FRP試驗(yàn)研究和相關(guān)歸納分析模型<br/> 對FRP包裹混凝土柱的研究最早開始于上世紀(jì)80年代,Fardis 和Khalili 在1981年提出了在混凝土柱外纏FRP絲的加固方法.1982年,Fardis 等對FRP包裹混凝土柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)說明,在

9、混凝土柱外部包裹FRP可以有效的提升柱體的強(qiáng)度和延性,并提出了 FRP 包裹混凝土柱的極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€模型. Fardis 提出的計(jì)算模型被后來的多數(shù)學(xué)者借鑒. <br/>2001 年, 伯利恒Lehigh大學(xué)的Pessik和哥倫比亞南卡羅萊納大學(xué)的Harries進(jìn)行了大比例 FRP包裹混凝土柱軸壓試驗(yàn) , 試驗(yàn)包括 16根圓柱和 4根棱柱體 ; 作者觀察分析了包裹柱的膨脹率和有效約束區(qū) 問題,并簡單分析了了外包FRP材料的破壞應(yīng)變要小于標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)的現(xiàn)象.02年,Harries和哥倫比亞南卡羅萊納交通運(yùn)輸部的Kharel專門研究了 FRP包裹混凝土柱各個(gè)受力階

10、段的泊松比問題,并提出了相應(yīng)的計(jì)算模型.0207年間,Teng&Lam通過統(tǒng)計(jì)分析以往大批學(xué)者的試 驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了 FRP材料包裹混凝土柱的力學(xué)性能,研究范圍包括包裹方式、粘結(jié)方式、尺寸、截面、 FRP 材料剛度和混凝土強(qiáng)度等.通過研究 , 作者提出了拐點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算公式 , 極限 強(qiáng)度、應(yīng)變計(jì)算公式 ,應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€模型 , 各個(gè)階段的泊松比計(jì)算公式 ,強(qiáng)弱約束分界方法 , 并詳細(xì)解釋了包裹材料的破裂應(yīng)變小于拉伸試驗(yàn)結(jié)果的問題.法國克勞德伯納德里昂大學(xué)的Berthet、Ferrier 和Hamel in在0406年對GFRF和CFRP包裹混凝土柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究,其中包括高強(qiáng)混凝土柱

11、；并以50MPa為界限,分別針對普通和高強(qiáng)混凝土柱提出相應(yīng)的強(qiáng)度、延 性計(jì)算公式和應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線模型. 2007 年, 加州大學(xué)的 Youssef 、 Feng 和 Mosallam 對 87 根 FRP包裹混凝土柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn),試件包括棱柱體和圓柱體,包裹材料包括 CFRF和GFRP作者提出了拐點(diǎn)應(yīng)力、 應(yīng)變,極限強(qiáng)度、 應(yīng)變以及雙線性應(yīng)力 -應(yīng)變曲線模型. 同年,拉斯維加斯 的工程師Saenz和猶他州大學(xué)的 Pantelides 對108個(gè)FRP包裹混凝土柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn),并以應(yīng)變值為根本參數(shù)構(gòu)造了泊松比、 強(qiáng)度和應(yīng)力 -應(yīng)變曲線模型. <br/>2.2 數(shù)值迭代模型和非

12、線性有限元分析<br/>盡管大局部學(xué)者是通過試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)歸納對FRP包裹混凝土力學(xué)性能進(jìn)行研究 ,但是為了精確的研究其應(yīng)力 -應(yīng)變行為 , 仍有少數(shù)學(xué)者從構(gòu)造增量分 析本構(gòu)方程的角度入手.1999年,荷蘭的 Spoelstra 和意大利的 Monti 從徑向變形和縱向變形的關(guān)系入手建立了本構(gòu)方程 , 采用數(shù)值迭代求解. 2000年,弗羅里達(dá)交通運(yùn)輸部的 Shahawy 和辛辛那提州大學(xué)的 Miramiran 通過 Drucker- prager 準(zhǔn)那么建立了本構(gòu)方程 , 并且用 ANSYS 有限元軟件對其進(jìn)行了非線性有限元計(jì)算.同年 ,Miramiran 與奧蘭多的 Zagers

13、 在上文的基 礎(chǔ)上增添了在周期荷載下的反響分析. 2002年希臘色雷思德謨克里特大學(xué)土木工程學(xué)院鋼筋 混凝土實(shí)驗(yàn)室的 Karabinis 和 Rousakis, 對用于鋼筋約束混凝土的基于塑性理論的數(shù)值迭代 模型加以修改 , 使其應(yīng)用于 FRP 材料. 2005 年, 土耳其中東科技大學(xué)的 Binici 應(yīng)用 Leon-Pramono能量法那么構(gòu)造了約束混凝土的本構(gòu)模型.07年,Binici和加州大學(xué)伯克利分校的Mosaiam合作,研究可在周期荷載下的反響.同年,Teng&Lam和清華大學(xué)的葉列平提出了可以用于 FRP 和鋼筋的數(shù)值迭代本構(gòu)分析模型. <br/>3 國內(nèi)研究

14、現(xiàn)狀<br/> 近年來,隨著FRP應(yīng)用在我國的普及,國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)相繼開始了對FRP材料包裹混凝土柱的研究 ,如:東南大學(xué)、 清華大學(xué)、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等. 但是總體來講 , 我國 國內(nèi)對FRP材料包裹混凝土柱的研究深度和寬度距國外還具有一定差距.<br/>2003年,華南理工大學(xué)的賀玲鳳和潘桂梅對芳綸纖維約束混凝土試件的抗壓、抗劈裂和抗折彎拉試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果說明 , 經(jīng)芳綸纖維包裹后的試件上述各方面性能都得到了一定程度的提升.2004年1月,大連理工大學(xué)的周長東和黃承逵對9組27根GFRP材料包裹混凝土圓柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn),提出了一種雙線性分析模型 ；5 月,已

15、在同濟(jì)大學(xué)的周長東又進(jìn)行 51 根方柱試驗(yàn) ,并考察了粘 貼形式和數(shù)量對約束效果的影響 , 提出了一種兩階段簡化分析模型來確定約束混凝土應(yīng)力 -應(yīng) 變關(guān)系曲線 ；12 月,周長東又對包裹了玻璃纖維布的震損柱進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果說明無論軸壓比的上下 , 加固后柱的承載力和位移延性都有了不同程度的提升和改善 , 高軸壓比柱的效果更加明顯 , 加固前為小偏壓破壞的柱 , 加固后變成了大偏壓破壞 , 變形性能和 耗能水平顯著提升 , 并基于試驗(yàn)結(jié)果和約束混凝土的計(jì)算分析理論 , 導(dǎo)出了玻璃纖維聚合物 加固柱的軸壓比限值. <br/> 清華大學(xué)的李靜和錢稼茹 (2004) 基于抗震

16、目的 ,對 8根碳纖 維布混凝土柱進(jìn)行了軸向和往復(fù)水平力作用試驗(yàn),結(jié)果說明纏繞CFRP布可以使混凝土柱具有良好的屈服后變形水平；(2004)通過29個(gè)CFRF布約束混凝土柱的軸心受壓試驗(yàn)和其三位非線 性有限元分析,研究了 FRP約束混凝土矩形截面柱的軸心受壓性能和FRP的約束機(jī)理.2004年 3 月, 上海大學(xué)的歐陽煜和華僑大學(xué)的黃奕輝對耐堿玻璃纖維 (GFRP) 片材約束混凝土方形 截面柱體進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)和理論研究,探討了 GFRP片材加固柱的受力性能和側(cè)限機(jī)理,提 出了 GFRP片材側(cè)限混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.在考慮截面有效約束區(qū)和非有效約束區(qū)的基 礎(chǔ)上,提出了 GFRP片材加固混凝土方柱

17、的軸壓極限承載力計(jì)算方法.2004年8月,同濟(jì)大學(xué)肖建莊、龍海燕和石雪飛對 3 個(gè)高軸壓混凝土柱試件 , 其中 1 個(gè)為比照試件 ,2 個(gè)為不同包裹 形式的纖維布加固試件 , 進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn) , 研究了纖維布加固發(fā)對高軸壓混凝土柱抗 震性能的改善情況,研究說明適當(dāng)?shù)陌?FRP布可以大幅度提升高軸壓混凝土柱的抗震性能,并對其進(jìn)行了全過程仿真模擬. 同月 , 武漢大學(xué)的盧亦焱和清華大學(xué)的史健勇對 12 根加固鋼 筋混凝土方柱進(jìn)行了軸心受壓試驗(yàn)和有限元分析 , 并確定了碳纖維布約束混凝土方柱在軸心 受壓作用下的計(jì)算模型 , 提出兩種碳纖維布約束混凝土方柱的承載力計(jì)算方法.同年 , 北京交

18、通大學(xué)的王元豐和王雙劍通過采用混凝土三軸應(yīng)力Ottosen破壞準(zhǔn)那么及本構(gòu)關(guān)系對FRP約束混凝土柱受壓過程進(jìn)行計(jì)算分析 , 編制了相應(yīng)的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系曲線計(jì)算程序. <br/> 2005 年, 東南大學(xué)的敬登虎和曹雙寅.在國內(nèi)外關(guān)于 FRP 約束方柱的試驗(yàn)研究根底上 , 對截 面形狀、約束強(qiáng)度和剛度、未約束混凝土強(qiáng)度、拐角應(yīng)力集中等影響參數(shù)以及應(yīng)力應(yīng)變的荷 載路徑相關(guān)性進(jìn)行分析. 作者改良了 Mirmiran 的強(qiáng)弱約束判斷式 , 提出了雙線性應(yīng)力 -應(yīng)變曲 線模型 , 前半段采用 Hognested 的拋物線形式 , 后半段采用直線. 2006 年清華大學(xué)的魯國昌、 葉列平、

19、馮鵬和日本國立茨城大學(xué)的楊才千進(jìn)行了FRP 管約束混凝土的軸心受壓試驗(yàn)研究 ,考慮了其承受壓力造成約束模量降低的影響 , 在現(xiàn)有約束混凝土模型的根底上 , 提出了一種考 慮FRP管在雙向受力情況下的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系分析模型.<br/>4研究現(xiàn)狀存在問題 <br/>由于受到試驗(yàn)條件的限制 , 上述學(xué)者的成果往往是基于有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得 , 因而提出的 FRP 約束混凝土模型還存在著缺乏之處.香港理工大學(xué)的騰錦光(Teng J G)教授在2002年對國外多個(gè)FRP約束混凝土模型進(jìn)行了分析比擬,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)模型高估了 FRP約束混凝土的強(qiáng)度、延 性和轉(zhuǎn)折點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變值.經(jīng)本文

20、作者對以上學(xué)者研究成果的分析比擬,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前FRP約束混凝土模型研究的缺乏和原因如下 : <br/>(1) 多數(shù)模型基于 1988 年 Mander 提出的根據(jù)主動(dòng)約束原理得來的鋼筋約束混凝土柱模型而來.由于FRP與鋼筋兩種材料材性的根本不同,這種做法是不適宜的.由于鋼筋是彈塑性材料 , 進(jìn)入屈服平臺(tái)后 , 鋼筋所提供的約束應(yīng)力將不 再變化;而FRP是線彈性材料,其提供的約束應(yīng)力會(huì)持續(xù)增長 ,并不適于約束應(yīng)力為常數(shù)的主 動(dòng)約束模型 , 而應(yīng)該隸屬被動(dòng)約束. <br/>(2) 多數(shù)極限強(qiáng)度公式采用 1929 年 Richart針對主動(dòng)約束混凝土提出的強(qiáng)度公式形式.但是FRP

21、對混凝土的約束作用屬于被動(dòng)約束,混凝土發(fā)生破壞很大程度上是由于混凝土微觀結(jié)構(gòu)上存在裂縫 , 包括骨料與骨料之間 , 骨料與水泥 漿體之間等.當(dāng)混凝土承受荷載時(shí) , 內(nèi)部裂縫很快的向外擴(kuò)張導(dǎo)致混凝土的解體.然而 , 當(dāng)混 凝土處于FRP材料包裹下時(shí),裂縫擴(kuò)大到一定程度激活了FRP的約束應(yīng)力；被激活的約束應(yīng)力限制了內(nèi)部裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)張.同時(shí) , 在縱向應(yīng)力的作用下 , 混凝土柱的內(nèi)部裂縫受到了壓縮 和顆粒的填補(bǔ).盡管整個(gè)過程中 ,FRP 提供的約束應(yīng)力不斷增大 , 但當(dāng)內(nèi)部裂縫被壓縮到一定 限度 , 混凝土柱也就不在發(fā)生橫向變形 ,FRP 提供的約束應(yīng)力也就不在增加.此時(shí)混凝土內(nèi)部 骨料和水泥石應(yīng)

22、力值到達(dá)極限狀態(tài)發(fā)生破壞.因此 , 約束效力與約束比應(yīng)該是非線性關(guān)系 , 即 約束比對混凝土強(qiáng)度的提升幅度有限. 當(dāng)約束比增大到一定程度時(shí) , 其約束強(qiáng)度的提升應(yīng)該趨 向穩(wěn)定值.研究結(jié)果說明 , 當(dāng)約束量到一定程度時(shí) , 被包裹混凝土的強(qiáng)度提升程度會(huì)逐漸減小.<br/>(3) 極限應(yīng)變模型精確度大大不如極限強(qiáng)度模型. 之所以極限應(yīng)變模型準(zhǔn)確度較差一方面是由于多數(shù)模型只考慮了約束應(yīng)力對極限應(yīng)變的影響, 而對約束剛度的影響考慮缺乏 ;另一方面,多數(shù)模型沒有考慮到 FRP的環(huán)向破裂應(yīng)變小于標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)值.<br/>(4)對約束模型考慮不全面. 一些模型忽略了約束模型存在軟化段

23、的問題 , 僅僅考慮存在強(qiáng)化段的情 況.沒有考慮強(qiáng)弱約束分界問題.沒有給出適用于拐點(diǎn)或者峰值點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變的計(jì)算模型. 忽略了弱約束情況下的約束效應(yīng)問題 , 僅僅將素混凝土的抗壓強(qiáng)度值等同于峰值應(yīng)力值. 應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線模型過于簡單 , 有些曲線模型簡化為兩折線或者三折線形式 ; 對被約束柱的橫向 - 縱 向應(yīng)變關(guān)系研究缺乏,多數(shù)僅將泊松比分為初始值和極限值,而忽略了兩者之間 FRP開始發(fā)揮約束作用這一過程的泊松比值.<br/>(5)到目前為止,幾乎所有的FRP約束混凝土模型都是針對普通混凝土而言. 只有極少數(shù)文獻(xiàn)對高強(qiáng)混凝土包裹試件進(jìn)行過研究 , 試驗(yàn)結(jié)果說明 高強(qiáng)混凝土包裹試件

24、的試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞機(jī)理均與普通混凝土試件不同.隨著高強(qiáng)混凝土應(yīng)用 的普及,有必要對FRP包裹高強(qiáng)混凝土進(jìn)行專門研究.<br/>5結(jié)語<br/> 當(dāng)前,我國多數(shù)建筑物都已經(jīng)接近或者超過了使用年限 , 其平安性和適用性難以滿足要求.如 :2006 年11月 26日凌晨 4時(shí),廣州市荔灣區(qū)逢源坊的兩棟居民樓由于嚴(yán)重老化而忽然倒塌,致使一人死亡,三人輕傷 ,一人失蹤.另一方面 ,由于我國現(xiàn)代建筑行業(yè)起步較晚 ,設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)缺乏 , 對施工方面的監(jiān)控漏洞以及嚴(yán)重超載等不良使用狀況等因素的影響, 有些建筑在使用多年后已不滿足平安要求.如 :2007 年 23 日 , 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市民族東路高架橋由于長期單邊行 駛重型車輛 , 導(dǎo)致橋墩承載力缺乏 , 橋面單面傾斜發(fā)生倒塌. 我國還處于地震多發(fā)區(qū) , 許多建筑 物也在地震中受損.然而 , 我國現(xiàn)處于經(jīng)濟(jì)開展中期 , 如果對