具有混合纖維增強(qiáng)塑料片的混凝土梁–柱聯(lián)接部位的加固

具有混合纖維增強(qiáng)塑料片的混凝土梁–柱聯(lián)接部位的加固摘要本篇文章描述了對(duì)加固后標(biāo)準(zhǔn)尺寸混凝土結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果，該試件代表平面框架結(jié)構(gòu)中的梁–柱聯(lián)接部位。設(shè)計(jì)試驗(yàn)的目的是為了研究在靜載條件下纖維增強(qiáng)塑料被應(yīng)用到梁–柱聯(lián)接部位外表面附近時(shí)對(duì)所測(cè)試件的影響。特別令人感興趣的是在靜載條件下應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料對(duì)增強(qiáng)梁–柱聯(lián)接部位所起的作用。作為研究的關(guān)鍵，為了從外部對(duì)混凝土的連接部分進(jìn)行加固，設(shè)計(jì)了帶有E玻璃無(wú)捻粗紗布和碳布的混合纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合物，并且該復(fù)合物結(jié)合了短貼原絲氈和帶有乙烯基酯樹(shù)脂的玻璃纖維帶。結(jié)果顯示，對(duì)于應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料改進(jìn)過(guò)的混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和硬度起到增強(qiáng)的作用，同時(shí)也能夠起到在不同類(lèi)型荷載條件下增強(qiáng)它們的效果。同時(shí)，本篇文章也討論了為改進(jìn)和增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和硬度而如何選擇纖維增強(qiáng)塑料和結(jié)構(gòu)類(lèi)型。關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；加固；修復(fù)；混合纖維增強(qiáng)塑料；繞接技術(shù)1.引言為了對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，一個(gè)被廣泛采用的技術(shù)是使用鋼外套管放置于現(xiàn)有混凝土柱的周?chē)@種使混凝土產(chǎn)生側(cè)向限制的技術(shù)已經(jīng)被廣泛的研究[1，2]；而且已經(jīng)顯示重縮載重承載量和混凝土柱的延性增加。然而，這一個(gè)技術(shù)的缺點(diǎn)是它在實(shí)際的應(yīng)用受到來(lái)自腐蝕和固有的缺點(diǎn)。另一方面，纖維增強(qiáng)塑料日益被采用來(lái)加固混凝土，磚石和木結(jié)構(gòu)。通過(guò)關(guān)鍵部分的外表面采用纖維增強(qiáng)塑料來(lái)加固結(jié)構(gòu)，能夠很明顯提高結(jié)構(gòu)的載重量和結(jié)構(gòu)的效用。最近幾年，纖維增強(qiáng)塑料的材料類(lèi)型更加的廣泛，有玻璃纖維、碳纖維等。它們提供給設(shè)計(jì)者一個(gè)使用的、有效的構(gòu)造材料，這些材料具有范圍很廣的模數(shù)和強(qiáng)度的特性。和傳統(tǒng)的加固技術(shù)相比，纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合物具有特別高的強(qiáng)度和硬度，以及設(shè)計(jì)上的靈活性、在不利的環(huán)境中的可替代性、較強(qiáng)的韌性等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)優(yōu)化材料組成和結(jié)構(gòu)，使得纖維增強(qiáng)塑料達(dá)到最好的加固效果是可能的，同時(shí)也是必要的。為了在實(shí)際的加固過(guò)程中充分利用纖維增強(qiáng)塑料的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化組成材料和結(jié)構(gòu)是非常必要的。研究表明，正方形混凝土柱周?chē)奶祭w維/環(huán)氧基樹(shù)脂能夠使其負(fù)載能力增加8%—22%，而這種能力的增強(qiáng)是依賴(lài)于大量纖維的使用以及對(duì)基層表面的處理。樹(shù)脂注入技術(shù)的使用表明其對(duì)繞接效果的改進(jìn)起了非常重要的作用,研究表明，當(dāng)使用玻璃無(wú)捻粗紗布來(lái)增強(qiáng)繞接效果時(shí)，不僅能顯著提高混凝土的負(fù)載能力同時(shí)也能夠增加混凝土短支柱的變形抵抗能力。此外，通過(guò)使用帶有環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃/碳混合增強(qiáng)材料來(lái)加固混凝土，當(dāng)對(duì)混凝土柱進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)它的最初性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)它的負(fù)載能力進(jìn)一步的提高了。根據(jù)復(fù)合物彎曲的方位和厚度，表明在套箍位置處進(jìn)行加固會(huì)產(chǎn)生更好的效果。盡管已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但是大多數(shù)研究中都存在一個(gè)不足之處，即他們所做的試驗(yàn)僅限于形狀較小較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，如混凝土圓柱體，而不是真正的結(jié)構(gòu)。此外，有必要根據(jù)成本其中包括材料和處理方法來(lái)研究使組合結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化。這就表明，當(dāng)使用纖維增強(qiáng)塑料來(lái)進(jìn)行基礎(chǔ)加固時(shí)，應(yīng)該使用各種材料的優(yōu)點(diǎn)，不僅僅是帶有環(huán)氧樹(shù)脂的碳纖維，同時(shí)也應(yīng)該包括玻璃纖維或帶有其它聚合樹(shù)脂的碳/玻璃纖維的復(fù)合物，在這個(gè)試驗(yàn)中為了加固一個(gè)典型的建筑部分，即梁–柱聯(lián)接部位，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有乙烯基酯樹(shù)脂的碳/E玻璃復(fù)合物。為了研究帖有纖維增強(qiáng)塑料對(duì)構(gòu)件的影響，在靜載條件下，分別對(duì)通過(guò)纖維增強(qiáng)塑料加固后的試件和沒(méi)有加固的試件進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。研究報(bào)告是一個(gè)合作研究項(xiàng)目的一個(gè)組成部分，該項(xiàng)目是有悉尼理工大學(xué)、高級(jí)材料技術(shù)中心和悉尼大學(xué)共同合作研究的關(guān)于應(yīng)用高級(jí)纖維復(fù)合物來(lái)增大混凝土的強(qiáng)度和硬度，由此來(lái)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。實(shí)驗(yàn)程序?yàn)榱诉@一項(xiàng)目設(shè)計(jì)了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸加固混凝土結(jié)構(gòu)試件，它們代表了典型的梁–柱聯(lián)接部位。圖一表示了局部帶有纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)件的幾何形狀。在這三個(gè)試件中，其中兩個(gè)試件相當(dāng)于混凝土梁–柱聯(lián)接類(lèi)型（非加固試件），另一個(gè)是在梁–柱聯(lián)接部位周?chē)锰祭w維和玻璃纖維復(fù)合物加固的試件（加固試件）。這三個(gè)試件都使用標(biāo)準(zhǔn)商品混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)為C40。在圖一中也顯示了混凝土試件的配筋情況。為了測(cè)定混凝土的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，進(jìn)行了混凝土抗壓試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)是根據(jù)AS1012–1986標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。圖1試件的幾何細(xì)節(jié)（沒(méi)按比例確定）2.1復(fù)合式結(jié)構(gòu)三個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)試件中的一個(gè)用復(fù)合物進(jìn)行加固，該復(fù)合物由四個(gè)部分組成，包括E玻璃無(wú)捻粗紗布（WR-600g/m2）、短貼原絲氈（CSM-300g/m2）、碳布（200g/m2）和玻璃纖維布（GFT-250g/m2）詳細(xì)見(jiàn)表格1和圖2，平面詳圖見(jiàn)圖3。雙軸平面布置不僅對(duì)軸向方向提供了相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，而且對(duì)箍部位也起到了同樣的作用。而玻璃無(wú)捻粗紗布和碳布的使用對(duì)于雙軸平面布置起到多方位的加固作用，在這個(gè)復(fù)合式結(jié)構(gòu)中它們都起到了基本的加固作用。把玻璃纖維帶應(yīng)用到箍部位能夠提供非常好的限制作用，同時(shí)也能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的完整性。樹(shù)脂修復(fù)系統(tǒng)的選擇主要與樹(shù)脂膠性時(shí)間有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)采用濕鋪法，可以使用冷環(huán)繞樹(shù)脂系統(tǒng)。對(duì)于本次研究所描述的環(huán)繞方法沒(méi)有可采用濕鋪機(jī)器，所以采用人工方式。在室溫下，乙烯基酯樹(shù)脂和Dastar-R/VERPVE/SW/TP被混合并且混合有1.5%的MEKP，0.4%的CONAP和0.5%的DMA。在室溫條件下加工處理樹(shù)脂。對(duì)于玻璃無(wú)捻粗紗布/短貼原絲氈層，樹(shù)脂和纖維的比率是1：1.5，對(duì)于碳布比率是1：0.8。混凝土構(gòu)件被一層lames-wool和一層加固層所包裹。在放置第一層纖維層之前，應(yīng)使用丙酮來(lái)清理混凝土的表面，然后采用樹(shù)脂涂層去密封混凝土表面上的小洞。然而，當(dāng)進(jìn)行進(jìn)一步的表面處理時(shí)，應(yīng)該有意識(shí)的去避免沙粒被暴露在外面。為了確使結(jié)構(gòu)完全加固，每一個(gè)復(fù)合層都應(yīng)該用樹(shù)脂潤(rùn)濕并且卷在混凝土結(jié)構(gòu)之上。表1圖2圖32.2靜載試驗(yàn)設(shè)計(jì)在水平面上設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)試件的靜載試驗(yàn)，三個(gè)混凝土框架支撐是卷筒狀的，如圖4。被加載構(gòu)件末端也是卷筒類(lèi)型的支撐。然而，其水平運(yùn)動(dòng)沒(méi)有被明顯的限制。為了在沒(méi)個(gè)構(gòu)件末端能夠提供理想的卷筒類(lèi)型邊界條件，設(shè)計(jì)了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的裝置，該裝置在加載點(diǎn)配有滾筒和一個(gè)軸承，如圖5。在試驗(yàn)中，使用了4個(gè)1000KN的千斤頂。在它們之中唯一一個(gè)活動(dòng)的是那個(gè)放在加載構(gòu)件出的，而其它的幾個(gè)只簡(jiǎn)單的起到提供支座反力的作用。圖4圖52.3儀表使用和數(shù)據(jù)記錄使用4個(gè)千斤頂?shù)难b載單元放置在每個(gè)支撐物和加載點(diǎn)上，測(cè)出所家荷載和反作用力的大小。為了獲得混凝土框架試件準(zhǔn)確的偏差撓曲線。使用12個(gè)可變位移傳感器，該傳感器測(cè)量范圍為±2.5mm到±50mm，把它們放在重要位置上來(lái)測(cè)量撓度偏差。為了使試驗(yàn)更加地規(guī)范并對(duì)沒(méi)有經(jīng)過(guò)使用纖維增強(qiáng)塑料加固的混凝土結(jié)構(gòu)試件的變形有更準(zhǔn)確的了解，設(shè)計(jì)了大量應(yīng)變計(jì)來(lái)獲取所測(cè)試試件的壓力分布。每一個(gè)試件使用56個(gè)應(yīng)變計(jì)，其中有28個(gè)應(yīng)變計(jì)放置在試件的鋼筋處，另外28個(gè)30mm的應(yīng)變計(jì)放置在混凝土結(jié)構(gòu)試件的外表面處。按順序排列應(yīng)變計(jì)以便能夠測(cè)出連接部分大量的點(diǎn)。對(duì)于大部分被測(cè)試的連接部分，一個(gè)典型的排列方式如圖6。應(yīng)變計(jì)在這些部分內(nèi)部的排列方式如圖7。圖6圖72.4試驗(yàn)程序程表2給出了所測(cè)試試件的名稱(chēng)和一個(gè)簡(jiǎn)單的描述。在正式運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)之前，首先對(duì)非加固試件進(jìn)行一系列研究試驗(yàn)，主要是加載40KN，其中一個(gè)加到超過(guò)50KN。其次，對(duì)非加固試件和加固試件不家任何負(fù)載，直到達(dá)到先前使用負(fù)載水平。在每一個(gè)試件受到大約100次的加載后，處理所有最終負(fù)載試驗(yàn)。表23.結(jié)果和分析為了決定纖維增強(qiáng)塑料對(duì)加固結(jié)構(gòu)試件的影響，處理了在3個(gè)試件上進(jìn)行的5個(gè)試驗(yàn)，其中包括以運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)的三個(gè)試驗(yàn)和以最終負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)的兩個(gè)試驗(yàn)。對(duì)于每個(gè)試驗(yàn),都進(jìn)行了四個(gè)負(fù)載記錄，十二個(gè)撓度記錄和56或64個(gè)應(yīng)變的數(shù)據(jù)記錄。3.1靜載試驗(yàn)的確定為了使所做的靜載試驗(yàn)得到證實(shí)，依次列出了每次試驗(yàn)的靜力平衡，如下：外部荷載的平衡：由于在設(shè)計(jì)這些試驗(yàn)中避免了多余約束的存在，而且把加載裝置布置于加載點(diǎn)和反力點(diǎn)，這使得通過(guò)使用簡(jiǎn)單的靜力學(xué)來(lái)檢驗(yàn)加載點(diǎn)和反力點(diǎn)的靜力平衡變的很方便。表2顯示的外部負(fù)載平衡令人很滿意。斷面上力的平衡和力矩的平衡：為了準(zhǔn)確地計(jì)算內(nèi)部力和部分力矩，需要在指定的區(qū)間內(nèi)使用應(yīng)變計(jì)。為了處理在一個(gè)給定的斷面上的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變,做了下列的假設(shè):截面上的應(yīng)變沿線性變化，換句話說(shuō)就是在被給定的一個(gè)斷面上的應(yīng)變可以用一條應(yīng)變線表示。在這一假設(shè)條件下，采用具有兩個(gè)解釋變量的最小二乘法來(lái)獲得平面應(yīng)變，對(duì)于每個(gè)被給定的區(qū)間使用6個(gè)平面應(yīng)變值。圖8表示把所測(cè)得的平面應(yīng)變數(shù)值與用最小二乘法擬合所計(jì)算的數(shù)值做了比較。通過(guò)計(jì)算平面應(yīng)變可以獲得應(yīng)變值，這些數(shù)值將用于隨后的計(jì)算。對(duì)于確定一個(gè)被給定的斷面內(nèi)部的平衡，力的計(jì)算是通過(guò)結(jié)合在拉力段和壓縮段中所分別測(cè)得的數(shù)值而完成的。假設(shè)混凝土只受壓力和受拉區(qū)的力主要有鋼筋（一些表面帶有纖維增強(qiáng)塑料）來(lái)承擔(dān)。平衡狀態(tài)即受壓區(qū)的合力與受拉區(qū)的合力相等。被給定斷面上的力矩應(yīng)該通過(guò)這個(gè)斷面上所受的壓力來(lái)計(jì)算。把它們與通過(guò)所測(cè)荷載來(lái)計(jì)算的數(shù)值做對(duì)比。這些計(jì)算的詳細(xì)公式如附錄A，表3和表4表示靜載試驗(yàn)的確定。圖8表3表43.2負(fù)荷–凸形豎曲線圖9和圖10中顯示了加固試件的負(fù)荷–凸形豎曲線和非加固試件的對(duì)比情況，其中既包括在使用載荷條件下，又包括在極限載重條件下。結(jié)果顯示，由于使用了纖維增強(qiáng)塑料，使混凝土的硬度增加了大約45%（使用載荷條件下）。試驗(yàn)表明，在極限載重條件下使用纖維增強(qiáng)塑料加固混凝土結(jié)構(gòu)試件能夠使其負(fù)載能力提高大約30%。圖9圖103.3應(yīng)變結(jié)果的分析由于纖維增強(qiáng)塑料具有加固作用，所以為了估計(jì)鋼筋處的應(yīng)變變化，定義了一個(gè)參數(shù)，即“平面應(yīng)變約數(shù)”。定義如下：在相同的負(fù)載條件下，P代表兩個(gè)非加固試件中最大區(qū)間內(nèi)的平均應(yīng)變值，R代表兩個(gè)加固試件中最大區(qū)間內(nèi)的平均應(yīng)變值。表5和表6對(duì)非加固試件和加固試件的最大/最小應(yīng)變值進(jìn)行了典型的對(duì)比以及在相同荷載條件下不同斷面的平均應(yīng)變約數(shù)的對(duì)比情況（同見(jiàn)圖11）。如果對(duì)所有梁部分采用平均應(yīng)力約數(shù)的方法，它將產(chǎn)生51%的應(yīng)變縮減因子。以相同的方式,對(duì)于柱部分將產(chǎn)生55%的應(yīng)變縮減因子。平面應(yīng)變約數(shù)可以用以衡量外部使用纖維增強(qiáng)塑料加固的效果。表5表6圖113.4對(duì)應(yīng)用復(fù)合物建筑的討論在使用載荷和極限載重條件下，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行試驗(yàn)，從所得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用纖維增強(qiáng)塑料來(lái)加固建筑物，能夠成功地提高結(jié)構(gòu)的硬度和負(fù)載能力。令人感興趣的是發(fā)現(xiàn)雖然纖維增強(qiáng)塑料的彈性模量?jī)H僅大約是混凝土的一半，但是在增強(qiáng)混凝土的硬度和負(fù)載能力方面卻扮演非常重要的角色。在應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料來(lái)加固混凝土結(jié)構(gòu)試件之前，雖然沒(méi)有采取專(zhuān)門(mén)的表面處理，但是復(fù)合物與混凝土表面之間的連接卻沒(méi)有失敗。這可能是由于復(fù)合物具有較小的彈性模量。有跡象表明，由于混凝土具有較低抗拉強(qiáng)度，所以彈性模量較小的纖維增強(qiáng)塑料可能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)起到更好的加固作用。在采用鋪法設(shè)計(jì)中，厚度的逐漸變化是必要的。這樣可以降低在纖維增強(qiáng)塑料中可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中，這些應(yīng)力集中能夠引起混凝土的裂縫。然而，有必要指出，由于僅僅對(duì)一些受到限制的試件進(jìn)行研究，所以這些結(jié)論可能有一定的偏差。建議做更多的試驗(yàn)來(lái)證明這些結(jié)論。4．結(jié)論作為研究的結(jié)果，列出了以下結(jié)論：1．對(duì)加固后標(biāo)準(zhǔn)尺寸混凝土結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行試驗(yàn)已經(jīng)被成功地處理，所設(shè)計(jì)的試件代表了平面框架結(jié)構(gòu)中的梁–柱聯(lián)接部位。通過(guò)平衡校核證明了由該試驗(yàn)所得出的結(jié)論。2.由無(wú)捻粗紗布、碳布、短貼原絲氈和玻璃纖維帶組成的復(fù)合物有效地證明了纖維增強(qiáng)塑料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)試件的加固效果。試驗(yàn)的結(jié)果表明由于使用了纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合物使得混凝土的硬度和負(fù)載能力有了明顯的提高。結(jié)果也表明用較低的成本加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)并且使其達(dá)到較好的效果，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化是很重要的。3.靜載試驗(yàn)的結(jié)果也表明具有較低彈性模量的混合碳/E玻璃纖維復(fù)合物可能會(huì)提供更好的連接。然而，這需要被更多的試驗(yàn)證明。4．研究也表明應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的研究，其中包括加固被破壞的混凝土結(jié)構(gòu)試件，循環(huán)荷載和使用不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。附錄A假定梁/柱上一個(gè)被給定的斷面的應(yīng)變分布是線性的。對(duì)于給定的區(qū)間，應(yīng)變能夠被表達(dá)為公式（A.1）其中a,b,c是常數(shù)?？紤]兩個(gè)解釋變量的反映模型Yi=0+1xi1+2xi2+ei,(A.2)附件2：外文原文AbstractThepaperdescribestheresultsoftestsonprototypesizereinforcedconcreteframespecimenswhichweredesignedtorepresentthecolumn–beamconnectionsinplaneframes.Thetestsweredevisedtoinvestigatetheinfluenceoffibrereinforcedplastic(FRP)reinforcementappliedtoexternalsurfacesadjacenttothebeam–columnconnectiononthebehaviourofthetestspecimensunderstaticloading.OfparticularinterestunderstaticloadingwastheinfluenceofFRPreinforcementonthestrengthandstiffnessofbeam–columnconnection.Asakeytothestudy,thehybridFRPcompositesofE-glasswovenroving(WR)andplaincarboncloth,combinedwithchoppedstrandmat(CSM),glassfibertape(GFT)withavinyl-esterresinweredesignedtoexternallyreinforcethejointoftheconcreteframe.TheresultsshowthatretrofittingcriticalsectionsofconcreteframeswithFRPreinforcementcanprovidesignificationstrengtheningandstiffeningtoconcreteframesandimprovetheirbehaviourunderdifferenttypesofloading.TheselectionsoftypesofFRPandthearchitectureofcompositesinordertoimprovethebondingandstrengthoftheretro-fittingwerealsodiscussed.AuthorKeywords:Concretestructure;Strengthening;Rehabilitation;HybridFRPcomposite;Wrappingtechnique1.IntroductionAwidelyadoptedtechniqueforretrofittingconcretestructureistousesteeljacketsplacedaroundexistingconcretecolumns[1and2].Theuseofsteelencasementtoprovidelateralconfinementtotheconcreteincompressionhasbeenstudiedextensively[3and4],andhasshownincreaseinthecompressionloadcarryingcapacityandductilityoftheconcretecolumns.However,theshortcomingsofthistechniquearethatitsuffersfromcorrosionsaswellasinherentdifficultiesduringpracticalapplications.Fibrereinforcedplastic(FRP),ontheotherhand,isincreasinglybeingusedtoreinforceconcrete,masonryandtimberstructures.TheloadcarryingcapacityandserviceabilityofexistingstructurescanbesignificantlyaugmentedthroughexternallyretrofittingcriticalsectionswithFRPsheeting.InrecentyearsFRPmaterialswithwiderangeoffibretypesofglass,aramidorcarbonprovidedesignerswithanadaptableandcost-effectiveconstructionmaterialwithalargerangeofmodulusandstrengthcharacteristics.Comparingwithtraditionalrehabilitationtechniques,theFRPcompositeshavehighspecificstrength/stiffness,flexibilityindesignandreplacementaswellasrobustnessinunfriendlyenvironments.WithFRPcompositesitispossibleandalsonecessarytoachievethebeststrengtheningresultsbyoptimisingtheconstitutematerialsandarchitecture.OptimisationoftheconstitutematerialsandarchitecturebecomesessentialinordertoutilisethesuperiorityofFRPcompositesinapplicationofrehabilitation[5,6,7,8and9].Itwasfoundthatwindingofcarbonfiber/epoxycompositesaroundsquareconcretecolumnscanincreasetheloadcarryingcapacityby8–22%,dependingontheamountoffibresusedandtreatmentsofsubstratesurface[10].Theuseofresininfusiontechniquewasshowntocontributetosubstantialimprovementsincompositewrappingefficiency,andtheuseofwovenglassroving,asthereinforcementincompositeswrapping,wasfoundtosignificantlyincreasebothloadcarryingcapacityanddeformationresistancecapacityoftheconcretestubs[2].Furthermore,throughtheuseofglass/carbonhybridreinforcementswithanepoxyresin,replicationofinitialperformanceofconcretestubssubjectedtodeteriorationwasshownpossible,withasimultaneousfurtherimprovementinloadcarryingcapacity.Intermsoftheeffectsoforientationandthicknessofthecompositeswarps,itwasfoundthatthepredominantuseofreinforcementsinthehoopdirectionwouldresultinhighefficiency[11].Despitethelargenumberofresearchcarriedout,oneshortcomingofmoststudieshasbeenthattheywerelimitedtosimplesmallsizecomponents,suchasconcretecylinders,ratherthanrealstructures.Furthermore,itisessentialtostudytheoptimisationofcompositesarchitecturesintermsofcosteffectivenessincludingmaterialsandprocessingmethods.ThisimpliesthatthereinforcementofinfrastructurewithFRPcompositesshouldutilisetheadvantagesofvariousmaterials,notonlycarbonfiberswithepoxyresin,butalsoglassfiberorhybridofcarbon/glassfibreswithotherpolymerresins.Inthisexperimentalinvestigation,ahybridofcarbon/E-glasswithvinyl-esterresincompositesjacketwasdesignedtoreinforceatypicalbuildingcomponents,namelyacolumn–beamconnection.StatictestswerethenconductedonFRPreinforcedandnon-reinforcedspecimenswithextensiveinstrumentationtostudytheinfluenceofthedesignedcompositereinforcement.TheinvestigationreportedinthepaperformspartofacollaborativeresearchprogrambetweentheUniversityofTechnology,SydneyandtheCentreforAdvancedMaterialsTechnology,theUniversityofSydneyinrelationtoapplicationofadvancedfibrecompositestostrengthen,stiffenandhencerehabilitateconcretestructures.2.ExperimentalproceduresThreeprototypesizereinforcedconcreteframespecimens,representingtypicalconcretecolumn–beamconnection,weredesignedforthisstudy.GeometryofthespecimenswithlocationofFRPcompositereinforcementisillustratedinFig.1.Amongthreespecimens,twoofthemareas-isconcretebeam–columnconnectiontype(nonecomposites-reinforced(Non-CR)specimens)andonespecimenwasreinforcedbythehybridofcarbonfiberandglassfibrecompositesaroundthecolumn–beamjoint(composites-reinforced(CR)specimen).Allthreespecimenswerepre-castusingstandardcommercialmixgrade40concrete.ThesteelreinforcementoftheconcretespecimensarealsoshowninFig.1.ConcretecompressiontestsbasedontheAustralianStandard(AS1012–1986)wereconductedonthesamplestakenduringtheconcretepourinordertodeterminethemodulusofelasticityandultimatecompressionstrength(UCS)oftheconcrete.2.1.CompositesarchitectureOneofthethreeconcreteframespecimenswasreinforcedwithhybridcomposites.Thehybridcompositesconsistsoffourbasicarchitectures,namelyE-glasswovenroving(WR/600g/m2),choppedstrandmat(CSM-300g/m2),carboncloth(plainweave-200g/m2)andglassfibretape(GFT-250g/mm2).ThedetailsofthecompositesarchitectureareshowninTable1andFig.2.Detailsoflay-upareillustratedinFig.3.WRandcarbonclothareamulti-directionalreinforcementwithbiaxialplainweavingwhichprovideequivalentstrengthinbothaxialandhoopdirections.Theyplaythebasicreinforcementroleinthiscompositesarchitecture.GFTapplyingathoopdirectionprovidesverygoodconfinementandenhancesstructuralintegrity.Theselectionofresincuringsystemsismainlyconcernedwiththeresingel-timeatambienttemperature,whichiscriticaltowrappingprocess.Ingeneral,coldsettingresinsystems(ambienttemperaturecuring)canbeusedwhenwetlay-upprocessisapplied.Sincenolay-upmachineisavailableforthewrappingprocessdescribedinthisstudy,thehandlay-upmethodwasused.Thevinyl-esterresin,Dastar-R/VERPVE/SW/TP,wasmixedwith1.5%ofMEKP(methyl-ethyl-ketone-peroxide),0.4%ofCoNap(Cobaltnapthenate),and0.5%ofDMA(Dimethylaniline)atambienttemperature.Theresincuresatambienttemperature.Theweightratiobetweenresinandfibrelayerswas1:1.5forWR/CSMlayersand1:0.8forcarboncloth,respectively.Theconcreteframewaswrappedbyalames-woolrollerandaconsolidatingroller.Beforelayingthefirstfibrelayer,theconcretesurfaceswerecleanedupusingacetone,andathinresincoatwasappliedtosealmicroholesonthesurfaceofconcretecolumns.However,furthersurfacetreatmentsuchassandingsurfacetoexposetheaggregateswasintentionallyavoided.Eachcompositelayerwaswettedwiththeresinandrolledontotheconcreteframetoensurefullconsolidation.Table1.Detailsoffivecompositesystemswithacompositearchitectures

2.2.DesignofstatictestsThestatictestsoftheconcreteframespecimensweresetupinahorizontalplane.Thethreesupportsoftheconcreteframe(noloadapplied)wererollertypeasshowninFig.4.Theendatwhichloadwasappliedwasalsoarollertypesupport,however,horizontalmovementswereobviouslynotprevented.Inordertoprovidetheidealrollertypeboundaryconditionsateachendasdesigned,aspecialsetupwasdevelopedwithcombinationofrollersandaswivelheadateachsupporting/loadingpoint(Fig.5).Four1000-kN-hydraulicjackswereusedinthetests.Amongthem,theonlyactivejackwasthejackthatappliedloads,whileothersweresimplyactingasadjustablepackingtoprovidingthereactions.Fig.4.Illustrativesketchoftestset-upforstatictest.Fig.5.Set-upforstatictestofconcreteframe.

2.3.InstrumentationanddataloggingAppliedloadaswellasreactionforcesweremeasuredusingfour998.8kNloadcellslocatedineachoffoursupporting/loadingpositions.Inordertoobtaindetailedflexuraldeflectioncurvesfortheconcreteframespecimens,twelvelinearvariabledisplacementtransducers(LVDTs)witharangefrom±2.5to±50mmwereusedatstrategiclocationstomeasuretheflexuraldeflections.ExtensivestraingaugingwasdesignedtocapturethestressdistributionofthetestingspecimensinordertovalidatetestsandgainaninsightintothebehaviouroftheconcreteframewithorwithoutFRPreinforcement.Thetotalnumberofstraingaugeswas56foreachspecimen,inwhich28straingauges(5mm)werelocatedonsteelrebarsandtherest(30mmstraingauges)werelocatedontheexternalsurfaceoftheconcreteframespecimens.Locationsofthestraingaugeswerearrangedsothatthestrainsonvariouspointsofthecrosssectionscouldbecaptured.AtypicalstraingaugearrangementformostmeasuredcrosssectionsisshowninFig.6.LocationsofstraingaugesinsidethesectionareshowninFig.7.Fig.6.Locationofcrosssectionsoftheconcreteframeforstraingauging.2.4.TestprocedureDesignationsoftestspecimensandabriefdescriptionaregiveninTable2.Priortobeingformallytestedatserviceloadlevel,thefirstnon-CRspecimenwassubjectedtoaseriesofinvestigativetestsmostlyloadedattheserviceloadlevelof40kNwithonesingleoverloadupto50kN.Thesecondnon-CRspecimenandtheCRspecimenswerenotsubjectedtoanyloadinguntiltheinitialserviceloadleveltests.Allultimateloadtestswereconductedaftereveryspecimenwasexposedtoabout100cyclesofcyclicloadingatserviceloadlevels.Table2.Appliedloadandreactionsfortypicaltests(unit:kN)

3.ResultsandanalysisInordertodeterminetheinfluenceofFRPcomposites,fivesetsoftestswereconductedonthethreespecimensincludingthreetestsatserviceloadlevelsandtwoattheultimateloadlevel.Foreverytest,loggeddataconsistedoffourloadrecords,twelvedeflectionrecordsand56or64strainrecords.3.1.ValidationofthestatictestsTovalidatetheperformedtests,thestaticequilibriumforeachtestwasverifiedasfollows:Equilibriumofexternalloads:Asredundancywasavoidedindesignofthesetestsandloadcellswereplacedateachloadingorreactionpoint,itwasconvenienttocheckequilibriumoftheload/reactionforcesthroughsimplestatics.Table2showsthattheequilibriumofexternalloadswassatisfied.Equilibriumofforcesandequilibriumofmomentoncrosssections:Inordertocalculatetheinternalforcesandsectionalmoments,strainsonthedesignatedsectionswererequired.Toprocessthemeasuredstrainsonagivencrosssection,thefollowingassumptionwasmade:thestrainsvarylinearlythroughthecrosssections.Inotherwordsthestrainsatagivencrosssectioncanberepresentedbyastrainplane.Underthisassumption,leastsquaremethodwiththetwoexplanatoryvariableswasadoptedtoobtainthestrainplaneforeachgivencrosssectionusingvaluesofsixmeasuredstrains.Fig.8showscomparisonofthemeasuredstrainvaluesandthosecalculatedfromtheleastsquarefitting.Thestrainvaluesusedinsubsequenceevaluationsorcalculationswereobtainedfromcalculatedstrainplanes.Forthevalidationoftheequilibriumofinternalforcesinagivencrosssection,forceswerecalculatedbyintegrationofresultingstressesintensionandcompressionzones,respectively.Theconcretewasassumedtocarryonlycompressionloadsandsteelrebars(withFRPcompositesinsomecases)wereconsideredasthemainloadcarriersinthetensionzone.Equilibriumstatesthattheresultantforceinthecompressionzoneshouldbeequaltothatinthetensionzone.Momentsatagivencrosssectionwerefirstlycalculatedthroughintegrationofstressesinthesection.Theywerecomparedtothosecalculatedbyusingmeasuredloadsmultipliedbytheleverarms.DetailsofformulaepertainedtothesecalculationsarepresentedinAppendixA.AsshowninTable3andTable4,equilibriumisvalid