影响FRP约束混凝土柱力学性能的参数分析

影响FRP约束混凝土柱力学性能的参数分析武萍，于峰，贡志刚（1.安徽工业大学建筑工程学院，马鞍山243002）（2.马鞍山市工程质量检测中心马鞍山243000）1引言通过FRP对混凝土的约束作用，可以显著地提高其承载力和延性。FRP约束混凝柱的应用方式主要两种：一种是用于旧有结构的维修加固，另一种是用于新建结构中。为了合理对FRP约束混凝土柱进行设计，确定混凝土柱的承载力和延性的提高效果是很重要的。早期有些学者直接引用钢筋约束混凝土的模型或钢管混凝土的模型来预测FRP约束混凝土柱的性能，结果表明，计算存在较大的误差。这主要是因为约束机理的不同，钢材是弹塑性材料，在钢材屈服后，其应力保持不变，而应变仍然可以继续增加；而FRP是线弹性材料，在构件发生破坏之前，其应力和应变一直处于增加状态。由于钢材和FRP约束机理的不同，因此必需建立适合于FRP约束混凝土柱的计算模型。国内外的学者对此开展了大量的试验研究和理论分析，建立了相应的计算模型。但这些模型只是考虑影响FRP约束混凝土柱力学性能一种因素或几种因素的影响。本文通过对已有的大量的试验数据进行分析后，认为影响FRP约束混凝土柱力学性能的因素主要有：混凝土的强度等级、纤维复合材料（FBP）的种类、FRP的厚度和方向、环箍间距、混凝土的截面形状、构件的长细比和尺寸效应、并对这些影响因素进行综述和分析。2影响FRP约束混凝土柱性能的分析2.1凝土强度等级对混凝土柱力学性能的影响陈世欣对不同强度等级的素混凝土柱包裹FRP的轴心受压试验，结果表明，随着混凝土强度的增加，碳纤维包裹混凝土柱的强度提高程度增大。当混凝土的强度提高到C70时，碳纤维包裹混凝土柱强度提高程度有很大下降。随着混凝士强度等级的增大，混凝土柱的延性系数逐渐减小，这说明混凝土柱强度等级增加，混凝土柱的脆性也增加。吴刚通过对已有试验数据的分析，考虑混凝土强度等级对FRP约束效果的影响，引入了混凝士强度的调整系数。D.T.Niu和F.Yu.对双向FRP管约束混凝土的力学性能进行研究，分析了混凝土的强度等级对混凝土柱强度提高效果的影响，结果表明，随着混凝土强度的增大，FRP约束混凝土的强度提高系数逐渐减小。对于C50以下混凝土强度提高效果比较明显。2.2纤维复合材料（FRP）种类对混凝土柱力学性能的影响贾明英通过15根外包碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的混凝土圆柱轴心受压试验，对3种纤维约束混凝上效果进行对比分析。结果表明，碳纤维、芳纶纤维试件破坏形态相似，均属脆性破坏，破坏前没有明显预兆。玻璃纤维试件与前两者不同，接近延性破坏。破坏前试件中部有肉眼可观察到的外鼓，纤维层颜色由均匀的淡蓝色变为不规则的局部白色，同时可听到纤维断裂声音；碳纤维、芳纶纤维的混凝土圆柱强度和延性的提高效果明显，而玻璃纤维混凝土圆柱的强度和延性的提高程度较小。Cole等研究了FRP的种类（AFRP、CFRP和GFRP）对承载力的影响，结果表明，GFRP对试件力学性能的改善最为明显。吴刚通过对连续玄武岩纤维丝束缠绕与碳纤维布加固混凝土圆形柱抗震性能对比试验，对FRP种类和用量对加固效果的影响进行了研究，结果表明，这两种纤维加固都可以有效提高混凝土圆柱的抗震性能，而玄武岩纤维性价比更好。[-page-]蒋小青通过CFRP和HFRP加固混凝土圆柱的对比试验，研究了FRP的种类对加固效率的影响。结果表明，1C/2G柱的承载力及纵横向极限应变分别是3C柱的1.01倍、1.71倍和1.88倍，而加固价格仅为后者的58％。2C／3G柱的承载力以及纵横向极限应变分别是3C柱的1.72倍、3.28倍和3.86倍，而加固价格仅为后者的1.16倍。而且由于2C／4G柱的层间匹配更为合理，更加充分发挥了混杂效应，其FRP横向极限应变为1C／2G的2.25倍，并表现出一定的延性。2.3FRP的厚度和方向对混凝土柱力学性能的影响吴东辉通过对组合结构轴心受压后期强化段力学特征及组分材料相互约束条件的研究，归纳出FRP管与核心混凝土的轴压极限应力预测公式。分析了纤维的缠绕角度对组合结构轴压极限强度的影响。结果表明，纤维缠绕角与组合结构轴压极限强度之间呈现非线性变化状态，且在不同的缠绕角度范围内，轴压极限强度的变化趋势不同，组合结构达到强度极值点的纤维最佳缠绕角为72°。Mirmiran等研究FRP管（纤维缠绕方向15°）约束混凝土柱的试验研究，FRP管的厚度分别为6层、10层、14层，试验结果表明，随着纤维材料厚度增加，试件的承载力和延性逐渐增加。Rochette等研究了纤维材料的厚度和截面形状对FRP约束混凝土柱承载力影响，结果表明，缠绕5层FRP（15°／0°）试件比环向缠绕4层的试件承载力提高程度大，但是延性却降低了。因此，5层（15°／O°）试件的约束刚度与4层试件是大致相等的。当纤维的缠绕方向与环向有一定角度时，FRP在轴向和环向可以提供有效的模量和强度，同时可以替代混凝土柱中的钢筋。剪切裂缝经常发生在试件的45°处，因此缠绕FRP（45°）可以有效的防止剪切破坏。由于纤维的缠绕，试件的轴向的抗压强度会有一定程度的提高。Azadeh等采用有限元分析方法研究了FRP的厚度和缠绕方向（0°，45°）对FRP约束混凝土柱力学性能的影响，FRP的缠绕方式分为两种：一种环向-角度-环向缠绕方式，另一种是角度-环向-角度。分析结果表明，对于相同厚度的FRP，环向-角度-环向的FRP，约束混凝土柱承载力比角度-环向-角度FRP约束混凝土柱承载力提高效果明显。2.4环箍间距对混凝土柱力学性能的影响已有的研究表明，FRP的约束力与箍筋作用原理相似，通过拱作用对核心混凝土进行有效约束。拱作用发生在截面内以及条带之间的纵向空隙处。在纤维布包裹到的截面内，混凝土所受的约束最大，有效约束区面积最大；在相邻条带中间的截面上，约束作用最弱，有效约束区面积最小，且试件的极限承载力取决于最弱的截面。韩克双研究了环箍间距和条带宽度对FRP约束矩形混凝土柱力学性能的影响，条带宽度分别为40mm、50mm、60mm，粘贴两层碳纤维布的柱体，其强度分别提高了28.3％，21.6％，20.9％。可见，随着条带宽度的增加，其增强效率降低，在实际应用中，考虑到纤维布两边容易脱丝，条带宽度最好不要太窄。随着条带间距的增大，应力一应变曲线的下降段越来越陡，试件的极限承载力和延性越来越差。这主要是因为在条带之间未受约束的混凝土成为试件受力的薄弱环节。周长东研究了条带间距和条带宽度对FRP约束混凝土圆柱力学性能的影响，结果表明，条带间距对试件的破坏形态影响较大，随着条带间距的增加，条带之间空隙处混凝土的破坏剥落越明显，约束混凝土的承载力和延性减小。而条带间距较小的混凝土柱，在破坏的混凝土几乎未见剥落为考虑条带间距和条带宽度的影响，提出了有效约束力的计算公式，在此基础上，建立了构件承载力计算方法。于峰进行了环箍间距对PVC-FRP管混凝土柱力学性能影响试验研究，结果表明，随着环箍间距的增加，试件的承载力和轴向极限应变逐渐减小。并且为考虑环箍间距的影响，引入了环箍间距的影响系数，提出了轴压PVC－FRP管混凝土柱承载力计算公式。[-page-]2.5混凝土的截面形状对混凝土柱力学性能的影响FRP对矩形混凝土柱的约束作用明显小于对圆形混凝土柱的约束作用，主要是因为FRP对矩形混凝土柱提供的约束是不均匀的，在轴向荷载作用下，由了混凝土的横向膨胀，在矩形混凝土柱的角部容易引起应力集中，导致FRP提前发生破坏。常用的方法是对矩形混凝土柱进行倒角处理。Pessiki等通过试验探讨了截面形式（圆形和方形）对FRP约束混凝土柱的力学性能影响，结果表明，FRP矩形混凝土提供的约束是不均匀的，矩形柱角部FRP的应力大于各边FRP的应力，这主要是因为各边FRP的应力是由于受弯作用产生的，而FRP约束混凝土圆柱中RP的应力是由受拉作用而产生的。为考虑矩形截面对约束效果的影响，引入截间形状系数。J.G.Teng研究了FRP约束椭圆形混凝土柱的受压性能，研究发现，FRP约束混凝土柱的极限抗出强度和极限应变与FRP的厚度和椭圆形混凝土柱的长轴和短袖的比值有关，随着长轴和短轴比值的增大，约束效果逐渐降低。为考虑椭圆形长轴和短轴对约束效果的影响，引入椭圆形混凝士柱的截面形状系数。Seible等研究了混凝土柱的截面形状对FRP约束效果的影响，认为矩形截面的形状系数不小于0.5，缠绕FRP的厚度不大于1.5mm，倒角的半径大于52mm。潘景龙通过圆形、矩形、矩形倒角和矩形改成椭圆形截面的混凝土柱经FRP包裹后的轴压试验，证实圆形与椭圆形截面柱能较好地利用FRP的抗拉能力，获得良好的加固效果。其原因在于这些截面形状的周边从受荷开始就存在侧向约束作用。Cole等进行了22个矩形截面FRP约束混凝土柱的力学性能的试验研究，研究了截面类型、截面高宽比、转角半径等参数对承载力影响。结果表明，随着截面高宽比的增大和转角半径的减小、FRP的约束作用降低，FRP约束混凝土柱的极限应力和应变减小。2.6长细比和尺寸效应对混凝土柱力学性能的影响Pessiki等通过试验研究了圆形（直径152mm，高610mm；直径508mm，高1830mm）和方形（边长152mm，高610mm；边长457mm，高1830mm）截面尺寸效应对FRP约束混凝土柱力学性能影响，结果表明，圆形小柱承载力和极限应变分别提高1.28－2.44倍和5.91－7.59倍，圆形大柱承载力和极限应变分别提高了112－152倍和］55－565底A形小柱承载力和极限应变分别提高了1.19－2.09倍和1.43－8.1倍，方形大柱的承载力和极限应变分别提高了1.16－1.19倍和O.84－1.32倍。由此可见，随着截面尺寸的增加，混凝土的承载力和极限应变的提高程度逐渐减小，FRP的约束效率逐渐降低。Fam等进行的轴压试验主要是考察长细比对GFRP管约束混凝土柱力学性能的影响。试验结果表明，在其他条件相同的情况下，含FRP率为6.19％的GFRP管约束混凝土试件的极限强度同含钢率为9.91％钢管混凝土柱相同，说明GFRP管对核心混凝土能提供有效的约束，同时能减少构件的自重。随着长细比的增加，GFRP管约束混凝土柱的极限承载力随之下降。Mirmiran进行了3种径厚比（＝100、65.6、48.8）和4种长细比（=2、3、4、5）共24个GFRP管混凝土圆柱的轴压实验，试验结果表明，随着长细比的增大，试件极限承载力有下降的趋势，这主要是由于长细比的增大，初始缺陷造成的试件质心和截面中心位置的偏差的影响更为显著。当时，试件的极限承载力下降了18％。潘景龙等进行了长细比为4.5-17.5矩形截面经圆弧化处理、外包FRP后的钢筋混凝土柱的轴心受压试验，试验结果表明，长细比对FRP约束混凝土柱的稳定承载力影响远比螺旋箍筋柱和普通钢筋混凝土柱严重，但当长细比不大于17.5时，其稳定承载力仍比未包裹柱高20％以上。陶忠等以长细比和偏心率为变化参数，共进行了16个圆形截面钢筋混凝图柱试验，试验结果表明，由于FRP的约束作用，包裹FRP试件比相应未包裹FRP试件的承载力提高14％－68％，同时延性也有不同程度提高。但文献并未给出长细比与FRP约束钢筋混凝士柱承载力之间的具体关系。于峰调过对国内外已有的FRP约束混凝土柱中长柱试验数据的分析，提出了极限承载力的稳定系数的计算公式，公式的计算值与现有的试验数据吻合较好。3FRP约束混凝土柱有待解决问题（1）FRP约束混凝土柱是由FRP和混凝土两种材料组成的，FRP和混凝土的性能直接影响FRP的约束效果。需进一步建立混凝土的强度等级与约束效率之间的具体数学关系；确定最佳FRP的厚度、混杂纤维的搭配形式和FRP缠绕的角度。（2）与其他结构形式相同，FRP约束混凝土柱的影响因素需通过结构模型来进行，现有的大多数模型在按比例缩小的试件的试验基础上建立的，当试件尺寸变大时，FRP的约束效应随之发生改变，这样会造成与实际的结构不符。因此，进一步研究大比例试件的力学性能，确定尺寸效应对试件性能的影响。（3）F