影響FRP約束混凝土柱力學性能的參數分析

1、影響FRP約束混凝土柱力學性能的參數分析  武萍，于峰，貢志剛  （1.安徽工業(yè)大學建筑工程學院，馬鞍山 243002）（2.馬鞍山市工程質量檢測中心 馬鞍山 243000）1 引言    通過FRP對混凝土的約束作用，可以顯著地提高其承載力和延性。FRP約束混凝柱的應用方式主要兩種：一種是用于舊有結構的維修加固，另一種是用于新建結構中。為了合理對FRP約束混凝土柱進行設計，確定混凝土柱的承載力和延性的提高效果是很重要的。早期有些學者直接引用鋼筋約束混凝土的模型或鋼管混凝土的模型來預測FRP約束混凝土柱的性能，結果表明，計算存在較大的誤差。這主

2、要是因為約束機理的不同，鋼材是彈塑性材料，在鋼材屈服后，其應力保持不變，而應變仍然可以繼續(xù)增加；而FRP是線彈性材料，在構件發(fā)生破壞之前，其應力和應變一直處于增加狀態(tài)。    由于鋼材和FRP約束機理的不同，因此必需建立適合于FRP約束混凝土柱的計算模型。國內外的學者對此開展了大量的試驗研究和理論分析，建立了相應的計算模型。但這些模型只是考慮影響FRP約束混凝土柱力學性能一種因素或幾種因素的影響。本文通過對已有的大量的試驗數據進行分析后，認為影響FRP約束混凝土柱力學性能的因素主要有：混凝土的強度等級、纖維復合材料（FBP）的種類、FRP的厚度和方向、環(huán)箍間距、混

3、凝土的截面形狀、構件的長細比和尺寸效應、并對這些影響因素進行綜述和分析。2 影響FRP約束混凝土柱性能的分析2.1 凝土強度等級對混凝土柱力學性能的影響    陳世欣對不同強度等級的素混凝土柱包裹FRP的軸心受壓試驗，結果表明，隨著混凝土強度的增加，碳纖維包裹混凝土柱的強度提高程度增大。當混凝土的強度提高到C70時，碳纖維包裹混凝土柱強度提高程度有很大下降。隨著混凝士強度等級的增大，混凝土柱的延性系數逐漸減小，這說明混凝土柱強度等級增加，混凝土柱的脆性也增加。吳剛通過對已有試驗數據的分析，考慮混凝土強度等級對FRP約束效果的影響，引入了混凝士強度的調整系數。D.T

4、.Niu和F.Yu.對雙向FRP管約束混凝土的力學性能進行研究，分析了混凝土的強度等級對混凝土柱強度提高效果的影響，結果表明，隨著混凝土強度的增大，FRP約束混凝土的強度提高系數逐漸減小。對于C50以下混凝土強度提高效果比較明顯。2.2 纖維復合材料（FRP）種類對混凝土柱力學性能的影響    賈明英通過15根外包碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維的混凝土圓柱軸心受壓試驗，對3種纖維約束混凝上效果進行對比分析。結果表明，碳纖維、芳綸纖維試件破壞形態(tài)相似，均屬脆性破壞，破壞前沒有明顯預兆。玻璃纖維試件與前兩者不同，接近延性破壞。破壞前試件中部有肉眼可觀察到的外鼓，纖維層顏色

5、由均勻的淡藍色變?yōu)椴灰?guī)則的局部白色，同時可聽到纖維斷裂聲音；碳纖維、芳綸纖維的混凝土圓柱強度和延性的提高效果明顯，而玻璃纖維混凝土圓柱的強度和延性的提高程度較小。Cole等研究了FRP的種類（AFRP、CFRP和GFRP）對承載力的影響，結果表明，GFRP對試件力學性能的改善最為明顯。    吳剛通過對連續(xù)玄武巖纖維絲束纏繞與碳纖維布加固混凝土圓形柱抗震性能對比試驗，對FRP種類和用量對加固效果的影響進行了研究，結果表明，這兩種纖維加固都可以有效提高混凝土圓柱的抗震性能，而玄武巖纖維性價比更好。-page-     蔣小青通

6、過CFRP和HFRP加固混凝土圓柱的對比試驗，研究了FRP的種類對加固效率的影響。結果表明，1C/2G柱的承載力及縱橫向極限應變分別是3C柱的1.01倍、1.71倍和1.88倍，而加固價格僅為后者的58。2C3G柱的承載力以及縱橫向極限應變分別是3C柱的1.72倍、3.28倍和3.86倍，而加固價格僅為后者的1.16倍。而且由于2C4G柱的層間匹配更為合理，更加充分發(fā)揮了混雜效應，其FRP橫向極限應變?yōu)?C2G的2.25倍，并表現出一定的延性。2.3 FRP的厚度和方向對混凝土柱力學性能的影響    吳東輝通過對組合結構軸心受壓后期強化段力學特征及組分材料相互約束

7、條件的研究，歸納出FRP管與核心混凝土的軸壓極限應力預測公式。分析了纖維的纏繞角度對組合結構軸壓極限強度的影響。結果表明，纖維纏繞角與組合結構軸壓極限強度之間呈現非線性變化狀態(tài)，且在不同的纏繞角度范圍內，軸壓極限強度的變化趨勢不同，組合結構達到強度極值點的纖維最佳纏繞角為72°。    Mirmiran等研究FRP管（纖維纏繞方向15°）約束混凝土柱的試驗研究，FRP管的厚度分別為6層、10層、14層，試驗結果表明，隨著纖維材料厚度增加，試件的承載力和延性逐漸增加。    Rochette等研究了纖維材料的厚度和截

8、面形狀對FRP約束混凝土柱承載力影響，結果表明，纏繞5層FRP（15°0°）試件比環(huán)向纏繞4層的試件承載力提高程度大，但是延性卻降低了。 因此，5層（15°O°）試件的約束剛度與4層試件是大致相等的。    當纖維的纏繞方向與環(huán)向有一定角度時，FRP在軸向和環(huán)向可以提供有效的模量和強度，同時可以替代混凝土柱中的鋼筋。剪切裂縫經常發(fā)生在試件的45°處，因此纏繞FRP（45°）可以有效的防止剪切破壞。由于纖維的纏繞，試件的軸向的抗壓強度會有一定程度的提高。    Azadeh等采

9、用有限元分析方法研究了FRP的厚度和纏繞方向（0°，45°）對FRP約束混凝土柱力學性能的影響，FRP的纏繞方式分為兩種：一種環(huán)向-角度-環(huán)向纏繞方式，另一種是角度-環(huán)向-角度。分析結果表明，對于相同厚度的FRP，環(huán)向-角度-環(huán)向的FRP，約束混凝土柱承載力比角度-環(huán)向-角度FRP約束混凝土柱承載力提高效果明顯。2.4 環(huán)箍間距對混凝土柱力學性能的影響    已有的研究表明，FRP的約束力與箍筋作用原理相似，通過拱作用對核心混凝土進行有效約束。拱作用發(fā)生在截面內以及條帶之間的縱向空隙處。在纖維布包裹到的截面內，混凝土所受的約束最大，有效約束區(qū)面

10、積最大；在相鄰條帶中間的截面上，約束作用最弱，有效約束區(qū)面積最小，且試件的極限承載力取決于最弱的截面。    韓克雙研究了環(huán)箍間距和條帶寬度對FRP約束矩形混凝土柱力學性能的影響，條帶寬度分別為40mm、50mm、60mm，粘貼兩層碳纖維布的柱體，其強度分別提高了28.3，21.6，20.9?？梢姡S著條帶寬度的增加，其增強效率降低，在實際應用中，考慮到纖維布兩邊容易脫絲，條帶寬度最好不要太窄。隨著條帶間距的增大，應力一應變曲線的下降段越來越陡，試件的極限承載力和延性越來越差。這主要是因為在條帶之間未受約束的混凝土成為試件受力的薄弱環(huán)節(jié)。  &

11、#160; 周長東研究了條帶間距和條帶寬度對FRP約束混凝土圓柱力學性能的影響，結果表明，條帶間距對試件的破壞形態(tài)影響較大，隨著條帶間距的增加，條帶之間空隙處混凝土的破壞剝落越明顯，約束混凝土的承載力和延性減小。而條帶間距較小的混凝土柱，在破壞的混凝土幾乎未見剝落 為考慮條帶間距和條帶寬度的影響，提出了有效約束力的計算公式，在此基礎上，建立了構件承載力計算方法。于峰進行了環(huán)箍間距對PVC-FRP管混凝土柱力學性能影響試驗研究，結果表明，隨著環(huán)箍間距的增加，試件的承載力和軸向極限應變逐漸減小。并且為考慮環(huán)箍間距的影響，引入了環(huán)箍間距的影響系數，提出了軸壓PVCFRP管混凝土柱承載力計算公式。-p

12、age- 2.5 混凝土的截面形狀對混凝土柱力學性能的影響    FRP對矩形混凝土柱的約束作用明顯小于對圓形混凝土柱的約束作用，主要是因為FRP對矩形混凝土柱提供的約束是不均勻的，在軸向荷載作用下，由了混凝土的橫向膨脹，在矩形混凝土柱的角部容易引起應力集中，導致FRP提前發(fā)生破壞。常用的方法是對矩形混凝土柱進行倒角處理。    Pessiki等通過試驗探討了截面形式（圓形和方形）對FRP約束混凝土柱的力學性能影響，結果表明，FRP矩形混凝土提供的約束是不均勻的，矩形柱角部FRP的應力大于各邊FRP的應力，這主要是因為各邊FRP的應力

13、是由于受彎作用產生的，而FRP約束混凝土圓柱中RP的應力是由受拉作用而產生的。為考慮矩形截面對約束效果的影響，引入截間形狀系數。J.G.Teng研究了FRP約束橢圓形混凝土柱的受壓性能，研究發(fā)現，FRP約束混凝土柱的極限抗出強度和極限應變與FRP的厚度和橢圓形混凝土柱的長軸和短袖的比值有關，隨著長軸和短軸比值的增大，約束效果逐漸降低。為考慮橢圓形長軸和短軸對約束效果的影響，引入橢圓形混凝士柱的截面形狀系數。    Seible等研究了混凝土柱的截面形狀對FRP約束效果的影響，認為矩形截面的形狀系數不小于0.5，纏繞FRP的厚度不大于1.5mm，倒角的半徑大于52m

14、m。潘景龍通過圓形、矩形、矩形倒角和矩形改成橢圓形截面的混凝土柱經FRP包裹后的軸壓試驗，證實圓形與橢圓形截面柱能較好地利用FRP的抗拉能力，獲得良好的加固效果。其原因在于這些截面形狀的周邊從受荷開始就存在側向約束作用。Cole等進行了22個矩形截面FRP約束混凝土柱的力學性能的試驗研究，研究了截面類型、截面高寬比、轉角半徑等參數對承載力影響。結果表明，隨著截面高寬比的增大和轉角半徑的減小、FRP的約束作用降低，FRP約束混凝土柱的極限應力和應變減小。2.6 長細比和尺寸效應對混凝土柱力學性能的影響    Pessiki等通過試驗研究了圓形（直徑152mm，高61

15、0mm；直徑508mm，高1830mm）和方形（邊長152mm，高610mm；邊長457mm，高1830mm）截面尺寸效應對FRP約束混凝土柱力學性能影響，結果表明，圓形小柱承載力和極限應變分別提高1.282.44倍和5.917.59倍，圓形大柱承載力和極限應變分別提高了112152倍和55565底A形小柱承載力和極限應變分別提高了1.192.09倍和1.438.1倍，方形大柱的承載力和極限應變分別提高了1.161.19倍和O.841.32倍。由此可見，隨著截面尺寸的增加，混凝土的承載力和極限應變的提高程度逐漸減小，FRP的約束效率逐漸降低。    Fam等進行的

16、軸壓試驗主要是考察長細比對GFRP管約束混凝土柱力學性能的影響。試驗結果表明，在其他條件相同的情況下，含FRP率為6.19的GFRP管約束混凝土試件的極限強度同含鋼率為9.91鋼管混凝土柱相同，說明GFRP管對核心混凝土能提供有效的約束，同時能減少構件的自重。隨著長細比的增加，GFRP管約束混凝土柱的極限承載力隨之下降。Mirmiran進行了3種徑厚比（100、65.6、48.8）和4種長細比（= 2、3、4、5）共 24個GFRP管混凝土圓柱的軸壓實驗，試驗結果表明，隨著長細比的增大，試件極限承載力有下降的趨勢，這主要是由于長細比的增大，初始缺陷造成的試件質心和截面中心位置的偏差的影響更為顯

17、著。當時，試件的極限承載力下降了18。    潘景龍等進行了長細比為4.5-17.5矩形截面經圓弧化處理、外包FRP后的鋼筋混凝土柱的軸心受壓試驗，試驗結果表明，長細比對FRP約束混凝土柱的穩(wěn)定承載力影響遠比螺旋箍筋柱和普通鋼筋混凝土柱嚴重，但當長細比不大于17.5時，其穩(wěn)定承載力仍比未包裹柱高20以上。    陶忠等以長細比和偏心率為變化參數，共進行了16個圓形截面鋼筋混凝圖柱試驗，試驗結果表明，由于FRP的約束作用，包裹FRP試件比相應未包裹FRP試件的承載力提高1468，同時延性也有不同程度提高。但文獻并未給出長細比與FRP約束

18、鋼筋混凝士柱承載力之間的具體關系。于峰調過對國內外已有的FRP約束混凝土柱中長柱試驗數據的分析，提出了極限承載力的穩(wěn)定系數的計算公式，公式的計算值與現有的試驗數據吻合較好。3 FRP約束混凝土柱有待解決問題    （1）FRP約束混凝土柱是由FRP和混凝土兩種材料組成的，FRP和混凝土的性能直接影響FRP的約束效果。需進一步建立混凝土的強度等級與約束效率之間的具體數學關系；確定最佳FRP的厚度、混雜纖維的搭配形式和FRP纏繞的角度。    （2）與其他結構形式相同，FRP約束混凝土柱的影響因素需通過結構模型來進行，現有的大多數模型在按比例縮小的試件的試驗基礎上建立的，當試件尺寸變大時，FRP的約束效應隨之發(fā)生改變，這樣會造成與實際的結構不符。因此，進一步研究大比例試件的力學性能，確定尺寸效應對試件性能的影響。