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FRP约束方形截面钢筋混凝土偏压长柱的试验研究

来源：化拓教育网

FRP约束方形截面钢筋混凝土

偏压长柱的试验研究

陶　忠

(福州大学土木建筑工程学院　福州　350002)

于　清

(清华大学建设管理系　北京　100084)

滕锦光

(理工大学土木及结构工程系　)

　　摘　要:以偏心率为变化参数,共进行了8个长细比LΠb为2014的方形截面钢筋混凝土偏心受压长柱

的试验,其中有4个试件沿环向包裹了单向FRP(纤维增强复合材料),另4个未包裹FRP的试件用作力学性能对比。试验结果表明,在长细比较大的情况下,FRP约束虽没有明显提高方形偏压柱的承载力,但在一定程度上改善了构件的延性,尤其是对偏心距较小的构件。当需要同时提高方形截面长柱承载力及延性的时候,建议采用双向FRP对构件进行包裹,或采取其他有效措施。

　　关键词:FRP复合材料　约束混凝土　钢筋混凝土　方柱　承载力　延性

EXPERIMENTALBEHAVIOROFFRP2CONFINEDSQUARERCLONGCOLUMNSUNDERECCENTRICLOADINGTaoZhong(CollegeofCivilEngineering&Architecture,FuzhouUniversity　Fuzhou　350002)

YuQing

(DepartmentofConstructionManagement,TsinghunUniversity　Beijing　100084)

TengJinguang

(DepartmentofCivilandStructuralEngineering,TheHongKongPolytechnicUniversity　HongKong)

Abstract:Atotalofeightspecimenswithslendernessratioof2014weretestedtoinvestigatetheperformanceof

eccentricallyloadedsquarereinforcedconcrete(RC)columns.Theseeightcolumnsincludedfourunstrengthenedcolumns,andfourcolumnsstrengthenedbyFRPjackets.Themainparametervariedinthetestswastheloadeccentricity.Theexperimentalresultsdemonstratedthatthebearingcapacitiescannotbeenhancedeffectively,buttheductilitycanbeimprovedtosomeextent,especiallyforspecimenswithsmalleccentricities.IfthereisaneedtoenhancebothbearingcapacityandductilityofsquareRClongcolumn,itisrecommendedthatbi2directionalFRPsheetsshouldbeused,orsomeothereffectivemeasuresshouldbetaken.Keywords:FRPcomposites　confinedconcrete　reinforcedconcrete　squarecolumns　bearingcapacity　ductility

　　纤维增强复合材料(FRP)具有高强、轻质、耐腐

蚀和施工方便等优点,近年来在混凝土结构修复加

[1～6]

固领域已开始得到较为广泛的应用。FRP较为合理的应用方式之一是用其从环向对混凝土施加约束,从而形成FRP约束混凝土,以期能够提高构件的抗压承载力及其延性性能。

目前,国内外针对FRP约束混凝土的力学性能已开展了大量研究,并取得丰硕成果,尤其是关于FRP约束素混凝土的轴压应力-应变关系及有FRP约束的钢筋混凝土压弯构件滞回性能的研究方面。对于FRP约束钢筋混凝土构件的静力性能以往则研究较少,且大都针对长细比较小的构[7～9]件。但在实际工程中还存在着大量大长细比的柱,如高桥墩。为此,文献[1]进行了最大长径比达2014的FRP约束钢筋混凝土圆柱的力学性能研究,结果表明,对于大长细比的偏压圆柱,FRP的约束作

IndustrialConstructionVol135,No19,2005

[2]

用仍可有效提高构件的极限承载力和延性性能。由于FRP对圆形截面构件和对方形截面构件的约束存在机理上的差别,而以往并未见有关FRP约束方形截面钢筋混凝土长柱力学性能研究方面的报道,因而有必要开展这方面的研究工作。

本文拟以偏心率(e0Πb,e0为荷载偏心距,b为方形试件截面边长)为变化参数,通过试验研究环向包裹FRP(本次试验采用碳纤维增强复合材料,CFRP)对方形截面钢筋混凝土偏压长柱力学性能的影响,以期能进一步深入认识FRP约束混凝土的工作特点。

3福建省教育厅科技计划重点项目(JA04154)、福建省自然科学基金项目(E0410015)和理工大学ASD计划联合资助课题。33于　清原工作单位系福州大学。

第一作者:陶　忠　男　1973年1月出生　博士　副研究员收稿日期:2005-05-15

工业建筑　2005年第35卷第9期　　5

1　试验方法111　试验概况

mm,截面边长b为150mm,由此设计的试件L0Πb为2014。试件基本参数如表1所示,其编号中最后一

共进行了4种偏心距、8个试件的试验,其中有4个试件沿环向包裹了单向CFRP材料,另4个试件未包裹CFRP。所有试件的计算长度L0均为3060

位字母“U”和“R”分别代表未包裹CFRP和包裹CFRP的试件。

表1　试件一览

序号

2345678试件编号

S-S-S-S-S-S-S-S-1U1R2U2R3U3R4U4RL0ΠmmL0Πbe0Πmme0ΠbNueΠkN

SEI

ε10-6cuΠ×

3211211862414494809363021336535fm,ultΠmm备注对比试件对比试件对比试件对比试件

333333306006006006006006006006020142014201420142014201420142014005050100100150150000133013301670167110011009810248220120112727515—01921—01887—01933—110491015181434103319321852815529182917　　单向碳纤维布由日本东丽公司生产,其厚度为0117mm。实测CFRP的极限强度为4212MPa,弹性模量为255000MPa,延伸率为1167%。

所有柱试件均配置了4根<12纵筋(配筋率为—2106%)和<6@100的箍筋。钢筋强度按标准拉伸60mm。混凝土保护层厚度为21mm。

所有试件的混凝土均为同一批水平浇筑,并在振动台上进行振捣直至混凝土密实。试件养护方法为自然养护。混凝土强度由同条件下成型养护的150mm立方试块测得,进行承载力试验时混凝土的

试验方法确定,测得纵筋的屈服强度为38817MPa,极限强度为55719MPa,弹性模量为196000MPa;箍筋的屈服强度为39713MPa,极限强度为54811MPa,弹性模量为216000MPa。

混凝土用料如下:4215普通硅酸盐水泥;石灰岩碎石,最大粒径15mm;中粗砂,砂率为0132;高效减水剂,掺量为水泥用量的2%。混凝土的水灰比为0135,其质量配合比为:水∶水泥∶砂∶石∶减水剂=165∶470∶574∶1220∶3126,单位为kg。112　试件制作由于部分试件施加荷载的偏心距较大,故在试件两端均设置了牛腿。牛腿部分的箍筋加密为<6@50,并设置了弯起钢筋。试件具体尺寸及配筋情况见图1。所有试件的模板均采用钢模,在制作钢模板时其截面的四个直角均进行了倒角处理,采用半径为25mm的圆弧进行过渡,以保证FRP包裹试件的FRP材料不致在截面角部出现突然转折,使得纤维在受力过程中可能因提前断裂而退出工作。

养护龄期为80d,实测强度值(fcu)为6115MPa,弹性模量为37500MPa。

粘贴碳纤维布时混凝土的龄期为28d,在此之前先完成试件表面的清洗、打磨等基底处理工作。所有试件粘贴碳纤维布的层数均为2层,搭接长度为150mm。为了保证粘贴工作的顺利进行,在粘贴前将碳纤维布按预定的长度裁好,并充分浸润树脂后沿柱环向进行包裹,在这一过程中要利用滚筒挤去多余的树脂及可能存在的气泡。113　加载和量测装置

试验在福州大学力学-结构试验中心的500t压力机上进行,其加载和量测装置与文献[1]中构件试验类似。试件两端采用刀铰加载,以期模拟两端为铰接的边界条件。在试验过程中,分别测量了柱中截面处FRP或混凝土外表面应变、纵筋应变和箍筋应变以及柱的侧向挠度变化。另外,所有试件端部均设置了电测百分表以监测试件的纵向总变形。试验过程中的变形试验数据均通过IMP数据采集系统进行自动采集。

构件采用分级加载制,在达到屈服荷载以前,每级荷载约为预计极限荷载的1Π10;在达到屈服荷载以后每级荷载约为预计极限荷载的1Π20。每级荷载的持荷时间约为10min,在试件承载力达到极限以

图1　偏压试件详图

浇筑混凝土前先进行钢筋的绑扎,所有箍筋均

设置了135°的弯钩,其锚入混凝土部分的长度为6

后,慢速连续加载直至停止试验。2　试验结果与分析

工业建筑　2005年第35卷第9期

211　试验现象

通过试验观测发现,除试件S-1U的破坏形式为小偏压外,其余试件均为大偏压破坏,有较大的挠曲变形。图2所示为所有试件在试验结束后的破坏情况。

1-n=0154;2-n=0171;3-n=0186;4-n=1100;5-n=0196;6-n=01

图3　典型试件S-3R的侧向挠度变化情况

高于对比试件外,其余包裹FRP试件较对比试件的极限承载力都要稍低,但总体差别不大。表1中给

出了包裹FRP试件极限承载力NeS与其对比试件极限承载力NeU二者的比值(SEI),其平均值为01948,均方差为01061。考虑到混凝土材料本身具有一定离散性,因而根据本次试验结果可以认为,在达到极限承载力以前FRP未能对混凝土提供有效的约束,这和FRP约束钢筋混凝土圆柱形成了鲜明对比。因而对于方形截面钢筋混凝土长柱,如需对其进行承载力加固,应采用双向FRP。但如实际加固位置出现在柱端,此时由于纵向纤维存在锚固上的困难,应采取可靠锚固或配合其他有效加固措施。

图2　试件最终破坏形态

在试验过程中,在开裂荷载以前构件基本处于弹性工作阶段。当拉区混凝土开裂以后,构件跨中附近先后出现基本等间距的数条裂缝,但包裹FRP试件较对比试件的开裂荷载要大,一般情况下为对比试件的116～215倍。虽然FRP沿柱的纵向没有纤维,但原因可能是因为FRP的树脂具有比混凝土更高的抗拉强度,因而使得FRP包裹试件具有较高的开裂荷载。

当荷载增大到极限荷载的60%以上时,构件的挠度开始迅速增长。除试件S-1U在达到极限荷载时呈现明显脆性破坏外,其余试件的承载力均缓慢下降,变形持续增长。所有试件的破坏均在中截面附近,对于未包裹FRP的对比试件,在加载后期,中截面附近压区混凝土出现被压碎现象,混凝土保护层产生剥离脱落,但只有试件S-1U的纵筋被压曲,其余试件未见此现象。包裹FRP材料以后,所有试件的受压区直至加载结束未见明显异常,只是在中截面受压区稍有皱曲,表明FRP材料在加载后期对受压区混凝土提供了明显约束。所有包裹FRP试件直至加载结束未见纤维被拉断的现象。

经观测和验算,本次试件在变形过程中,其挠曲线基本呈正弦半波曲线。图3绘出了典型试件S-3R在不同荷载作用阶段其挠曲变形的发展情况。

1-S-1U;2-S-1R;3-S-2U;4-S-2R;

5-S-3U;6-S-3R;7-S-4U;8-S-4R

图4　偏压构件N-f关系曲线

图中横坐标为加载过程中构件不同位置处的挠度

(f);纵坐标为构件各挠度测点距柱底的高度(H);n为作用在构件上的荷载(N)与其极限荷载(Nue)的比值。图3中的虚线为正弦半波曲线,可见与试件变形曲线基本吻合。212　荷载-变形关系

从图4中还可以看出,包裹FRP试件较对比试

图4所示为各偏压构件的荷载(N)与跨中挠度(fm)关系曲线,表1中同时列出了各试件实测的最

件的弹性刚度都略有提高,这可能是因为包裹的

FRP材料本身具有一定的刚度,另一方面FRP对混凝土存在着约束作用,因而使得构件的整体抗弯刚度有所增大。同时还可以看出,对于偏心距较小的试件,包裹FRP材料后构件进入下降段后的延性有所提高,但对于偏心距较大的试件,包裹FRP与否对延性的影响不大。

(下转第28页)

大荷载Nue。从中可见,除试件S-4R的承载力稍

FRP约束方形截面钢筋混凝土偏压长柱的试验研究———陶　忠,等

FRP包裹加固的配筋混凝土柱的试验,证实其承载力

仍有较大幅度的提高,具有较好的变形能力和延性。

参考文献

1　MirmiranA,ShahawyM,BeitlemanT.SlendernessLimitforHybrid

FRP2ConcreteColumns.JournalofCompositesforConstruction,ASCE,2001,5(1):26～34

　1-试验点;2-拟合曲线图7　试验值与拟合曲线对比

2　金熙男.轴对称约束混凝土力学性能试验研究:[博士学位论3

表3　承载力提高系数

试件编号

Z-1Z-2Z-3Z-4Z-5Z-6

fcuΠMPa

约束比

011880118801188011880118801188

承载力ΠkN提高系数稳定系数

1010942900800750600

1111531152114111351120

11001933011017920174301594

456

363636363636

3　结　论

1)通过本次试验,证实了长细比对FRP约束混9

文].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2000　王雨光.纤维环向缠绕加固混凝土轴心受压短柱试验研究:[硕士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2000　肖　岩,吴　微,陈宝春,等.碳纤维套箍约束混凝土的应力-应变关系.工程力学,2002,19(2):154～159　潘景龙,金熙男.钢筋混凝土轴压短柱包裹纤维材料后的承载性能研究.哈尔滨建筑大学学报,2002,35(3):14～19　李　静,钱稼茹,等.CFRP约束混凝土应力-应变关系全曲线研究.见:第二届全国土木工程纤维增强复合材料FRP的应用技术学术交流会论文集.昆明:2000.157～162　钟善桐.钢管混凝土结构.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1994.1～6,260～280　于　清.FRP约束混凝土柱强度承载力计算.工业建筑,2000,30(10):31～34　MirmiranA,ShahawyM.BehaviorofConcreteColumnsConfinedby

FiberComposites.JournalofStructuralEngineering,ASCE,1997,123(5):583～590

凝土柱的稳定承载力影响远比螺旋配筋柱和普通钢筋混凝土严重,现有的普通混凝土的稳定系数计算公式己不再适用,需要重新给定稳定系数计算公式。

2)在一定长细比范围内(如LΠd<1715),经过(上接第7页)

10　MirmiranA,YuanW,ChenX.DesignforSlendernessinConcrete

ColumnsInternallyReinforcedwithFRPBars.ACIStructuralJournal,ACI,2001,98(1):116～125

试验过程中还实测了全部偏压试件的纵向压缩,结果表明,随着构件荷载偏心率的增大,其压缩量有增大的趋势,但包裹FRP试件较对比试件的压缩变形发展情况基本一致。213　应变变化

在不同的荷载阶段,通过验算试件中部截面的纵向应变分布发现,在达到极限荷载以前,试件截面基本上保持为平面。在加载过程中,包裹FRP试件及对比试件的应变在达到极限荷载以前发展基本相同;除试件S-2R外,其余试件在达到极限状态及荷载下降段时,包裹FRP试件的压区边缘纤维应变要稍大于相应的对比试件,表明了FRP对混凝土存在一定的约束作用,从而使构件的极限压应变有所提高。表1中列出了本次试验构件在达到极限荷载时的实测极限压应变εcu值。实测表明,在极限荷载时,包裹FRP材料对箍筋应变大小的影响不大。

3　结　论

1)在本次试验参数范围内,单向FRP的约束作28

用未能提高方形截面钢筋混凝土长柱的极限承载能力,但对偏心距较小构件的延性有所改善。

2)FRP约束作用使构件的刚度略有提高。3)对于方形截面钢筋混凝土长柱,采用FRP对其加固时建议采用双向FRP,或配合采取其他有效措施。

参考文献

1　陶　忠,于　清,韩林海,等.FRP约束钢筋混凝土圆柱力学性能的实验研究.建筑结构学报,2004,25(6):75～822　TengJG,ChenJF,SmithST,etal.FRPStrengthenedRCStructures.JohnWiley&Sons,Ltd.2002

3　ColeC.FRPJacketedReinforcedConcreteColumns.CIES99-13,UniversityofMissouri,Rolla.20014　赵　彤,刘明国,谢　剑.碳纤维布用于改善斜向受力高强混凝土柱抗震性能的研究.土木工程学报,2002,35(3):13～195　曹双寅,滕锦光,邱洪兴,等.外贴纤维复合材料加固RC悬臂板的实验研究及简化计算.土木工程学报,2001,34(1):39～436　叶列平,赵树红,李全旺,等.碳纤维布加固混凝土柱的斜截面受剪承载力计算.建筑结构学报,2000,21(2):59～677　丁洪涛.粘贴碳纤维布钢筋混凝土偏心受压柱试验与研究:[硕士学位论文].长沙:湖南大学,20038　ChaallalO,ShahawyM.PerformanceofFiber2ReinforcedPolymer2WrappedReinforcedConcreteColumnunderCombinedAxial2FlexuralLoading.ACIStructuralJournal,2000,97(4):659～66　李　明,陆洲导,王李果.玻璃钢围覆加固钢筋混凝土偏心受压柱的试验研究.土木工程学报,2000,33(3):38～41

工业建筑　2005年第35卷第9期

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