BFRP約束混凝土方柱試驗與理論值比較

祝 軍 權

(廣東中山市新環環保工程有限公司，廣東 中山 528400)

BFRP約束混凝土方柱試驗與理論值比較

祝 軍 權

(廣東中山市新環環保工程有限公司，廣東 中山 528400)

在試驗的基礎上，對采用BFRP約束鋼筋混凝土方柱試驗強度和理論強度模型公式得出的強度進行了比較并研究了尺寸效應對加固效果的影響，分析結果表明：通過合理選擇理論強度模型公式,可較好地計算纖維布加固混凝土柱的軸心受壓性能，不同尺寸的混凝土方柱存在較明顯的尺寸效應。

BFRP，混凝土方柱，尺寸效應

混凝土力學性能的尺寸效應是多年來研究的熱點和難點問題，因此國內外進行了大量試驗和理論分析。如Bazant和Xiang[1]利用劈裂裂紋帶模型結合實驗研究分析了幾何相似素混凝土柱在軸壓下的強度的尺寸效應；Sener等人[2]實驗研究了幾何相似鋼筋混凝土方柱的強度，表明其強度與Bazant等人[3-4]早期提出的尺寸效應率一致。目前國內外關于FRP約束方柱體的模型研究很多，通過對現有的計算模型分析比較，可知已有的極限強度計算公式，有的是直接引用箍筋約束混凝土公式；有的是根據FRP約束混凝土方柱的試驗數據回歸得到的，由于試驗數據數量的限制，精度不高；有的計算方法還較復雜。Teng[5]等分析匯總的模型結果顯示，計算精度相對較高。同時，考慮了箍筋的約束情況、截面形狀系數、倒角的影響、FRP的間距以及FRP的極限拉應力、層數等因素，預測精度相對而言較高，和試驗數據吻合的較為接近。

1)試驗設計。

本試驗選用的試件為鋼筋混凝土方柱，其尺寸為b×h(b為正

方形截面邊長，h為柱高),為使試件中部擺脫端部摩擦力的影響，處于單軸均勻受壓狀態，取h/b=5；試件分為三種尺寸，其中每種尺寸分別有包BFRP的5個，沒包的分別為4個，總共27個試件，加固的方柱采用全包的粘貼方式(見表1)。

表1 試驗試件參數表

實驗中所選用的水泥為江西省上高縣界埠水泥有限責任公司生產的“泥海”牌32.5級普通硅酸鹽水泥；粗骨料為卵石，最大粒徑25 mm，其堆積密度為1 620 kg/m3，表觀密度為2 635.5 kg/m3,空隙率為38.53%,含水率為0.244 %；細骨料為河砂，細度模數為2.22；外加劑為江西省創新外加劑有限公司生產的聚羧酸鹽高效減水劑LCX-9。

2)不同尺寸鋼筋混凝土方柱試驗數據及對比分析見表2。

表2 不同尺寸鋼筋混凝土方柱試驗數據及對比分析表

“A0”則表示為沒有粘貼BFRP布加固的尺寸100 mm×100 mm×500 mm方柱；“C4” 則表示為粘貼了4層BFRP布加固的尺寸200 mm×200 mm×1 000 mm方柱。

3)主要就比較典型的Teng[6]等的計算模型進行分析。

模型的數學表達式(1)。

(1)

(2)

其中，ke，kf，kg2分別為截面形狀系數、倒角應力降低系數、FRP間距影響系數。本試驗采用的是全包所以kg2=1.0，把截面形狀系數ke、倒角應力降低系數kf用一個字母φ來表示，即：

本實驗所選用的玄武巖纖維材料為布狀材料，且ffrp′是根據BFRP布廠家提供的ffrp′值確定的。約束混凝土試件的軸壓試驗中，在試件破壞的極限形態實際測得的玄武巖纖維布的橫向拉應變定義為碳纖維布的有效拉應變εfrp，纖維布的有效拉應變不大于材性試驗提供的纖維布的極限拉應變εbfrp。

FRP構件的理論值和試驗值比較見表3，荷載曲線見圖1。

4)比較結論。

從表3比較的結果可以看出，混凝土試塊的抗壓強度都隨著玄武巖纖維布包裹層數增加而增加。但試驗柱極限強度的增長基本與玄武巖纖維布用量呈正比。且試驗值的精度較高與理論值基本吻合。另外，在相同的BFRP加固率的情況下，不同尺寸的試件極限強度提高的幅度隨著尺寸的增大而降低，這也說明FRP約束幾何相似的鋼筋混凝土方形柱之間存在尺寸效應現象。

5)約束鋼筋混凝土方形柱強度尺寸效應分析。

表3 FRP構件的理論值和試驗值的比較

通過對試驗數據的定性分析，可以看出纖維布包裹層數、包裹方式、被加固構件的截面形狀、倒角半徑等這些因素都對加固后的混凝土強度有顯著的影響。表4為鋼筋混凝土方形柱試件的尺寸效應結果。圖2為試件直徑大小與其抗壓強度提高幅度之間的對應關系。

表4 外包玄武巖纖維的不同尺寸試件結果比較

從圖2可以看出構件尺寸越大，抗壓強度越小，因為BFRP外包鋼筋混凝土方柱存在著尺寸效應。從上圖可以看出對相同的纖維布加固率來說：

a.加固BFRP的構件強度隨著構件的尺寸越大對于相同尺寸加固BFRP和未加固的比較提高幅度越小。

b.加固BFRP的A2，B3，C4對于A0可以看出是隨著A2，B3，C4減小的趨勢。這是因為加固BFRP的幾何相似體構件存在著尺寸效應。

[1] Bazant ZP,Xiang Y.Size effect in compression fracture:splitting crack band propagation [J].Journal of Engineering Mechanics,1997,123(2):162-172.

[2] Sener S,Barr BIG,Abusiaf H.Size effect in axially loaded reinforced concrete columns [J].Journal of structural Engineering,2004,130(4):662-670.

[3] Bazant ZP.Size effect in blunt fracture:concrete,rock,metal [J].Journal of Engineering Mechanics,1984,110(4):518-535.

[4] 錢覺時，黃煜鑌.混凝土強度尺寸效應的研究進展[J].混凝土與水泥制品，2003(3):1-5.

[5] Yazic S，Sezer G I.The effect of cylindrical specimen size on compressive strength of concrete[J].Building and Environment,2007(42):2417-2420.

[6] Mmasia MJ,Gale TN,Shive NG.Size effect in axially loaded squ-are-section prisms strengthened using carbon fibre reinforced polymer wrapping [J].Canadian Journal of Civil Engineering,2004,31(1):1-13.

[7] GBJ 50010-2002，混凝土結構設計規范[S].

Finite element analysis of strength and size effection of square concrete columns reinforced by BFRP

ZHU Jun-quan

(GuangdongZhongshanXinhuanEnvironmentProtectionEngineeringCo.,Ltd,Zhongshan528400,China)

Based on experiments, the strengths and influence of size effection to reinforcement effect of square concrete columns confined by BFRP were studied by and the strengths analysised were compared with experimental ones. The results suggest that uniaxial compressed properties of specimens were predicted well by choosing finite element analysis model reasonably, square concrete columns of different sizes exist apparent size effection.

BFRP, square concrete column, size effection

1009-6825(2014)11-0054-03

2014-02-02

祝軍權(1973- )，男，工程師

TU375.3

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