長期負載下CFRP約束混凝土圓柱軸壓試驗研究

（1.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

（1.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

為探討長期負載下混凝土的收縮徐變和CFRP（碳纖維布）徐變對CFRP約束混凝土柱軸向受壓性能的影響，在3種不同加載模式下對12個圓柱進行了長期負載軸壓試驗，研究了在不同加載模式和不同負載水平下試件的破壞特征及長期荷載對約束柱變形、峰值點應力和應變的影響.試驗結果表明：CFRP包裹后的試件均是由于纖維環向拉斷導致柱子最終喪失承載力，且CFRP拉斷位置一般集中分布在試件的中部附近；在長期荷載作用下，CFRP包裹后的試件比未包裹試件的長期變形要小，并隨負載水平的提高，試件的長期變形增大；在不同加載模式下，長期負載對峰值點應力、應變的影響各不相同；初始負載對峰值點應力、應變的影響隨負載水平的提高而增大，在負載水平較高時，峰值點應力降低約13%，峰值點應變降低約6%.

CFRP；約束混凝土柱；長期負載；徐變

隨著FRP（fiber reinforce plastic）廣泛用于混凝土柱的加固，國內外學者對FRP約束混凝土進行了大量的試驗研究.但研究主要集中在沒有初始應力情況下的混凝土柱，而對于有初始應力下外包FRP約束柱的研究非常少.FRP約束混凝土為被動約束，外包FRP是在被約束混凝土產生一定的側向膨脹變形后才能有效發揮其側向約束作用.而在實際工程中，絕大多數被加固柱是處于負載狀態，存在一定的初始側向膨脹變形，此時采用FRP包裹約束時，外包的FRP就必然存在一定的拉應變滯后.

對此，潘從建等［1］在不同初始軸壓比下，對CFRP和GFRP約束混凝土柱進行了軸壓試驗，結果表明在軸壓比較小時，初始負載對FRP約束混凝土圓柱的軸壓性能無明顯影響.潘毅等［2-3］在不同負載水平下，對CFRP約束混凝土圓柱和方柱也進行了試驗研究，研究表明初始負載對于CFRP約束混凝土柱的極限應力和應變是有影響的，且隨著負載水平的提高，其極限應力和應變降低. Maalej M等［4］對負載下FRP約束鋼筋混凝土柱進行了軸壓試驗，結果表明其軸向承載力會隨負載水平提高有不同程度的降低，并可通過減去負載引起的初始應變加以考慮.但上述試驗只限于在短期負載，未考慮長期負載的影響.長期荷載作用下，混凝土會發生收縮和徐變，且FRP也將發生徐變和應力松弛，甚至會發生徐變斷裂.

針對在長期荷載作用下FRP約束混凝土的力學性能，一些學者也開展了相關的試驗研究.其中，于清等［5］通過長期荷載作用下FRP約束混凝土的軸壓試驗，研究了加載齡期、負載時間、含FRP率和混凝土強度等因素對試件變形的影響.張電杰［6］考慮約束形式、混凝土水灰比和截面形狀等因素，對FRP約束混凝土柱的徐變性能進行了試驗研究.

上述試驗盡管考慮了長期負載的影響，但未考慮初始負載的影響.而在實際加固中，混凝土柱均是在未卸載或部分卸載的情況下進行FRP包裹，這就使得FRP存在一定的應變滯后.

為綜合考慮初始壓應力和長期荷載作用的影響，并結合加固工程的實際情況，本文設計了不同負載水平和加固歷程下的CFRP約束混凝土柱長期軸心受壓試驗，對試件的破壞特征及長期變形、峰值點應力和應變進行了研究.

1 試驗概況

1.1 試驗設計

試驗共設計了15個圓形截面的混凝土試件，試件的直徑為110 mm、高為200 mm.盡管試件的尺寸小于實際尺寸，但Theriault M等［7］的研究表明，只有在試件直徑小于50 mm時，才需考慮尺寸對試驗結果的影響，這一結論也被普遍接受.外包FRP層數均為一層，混凝土強度等級為C20.根據3種不同的加載模式將試件分為3組，每組4個，余下的3個試件用于混凝土力學性能測試，詳細參數見表1.

在表1中，對每個試件進行了編號，編號形式為CCL X-Y，其中數字X為試件的組數，共3組，分別代表3種不同的模式（詳見后文）；數字Y為每組不同的加載方式，1代表名義負載水平為0.35的試件，2代表名義負載水平為0.65的試件，3代表沒有負載的對比試件，4代表未包裹CFRP布的基準試件.

考慮到不同的加載歷程，本次試驗包括以下3種試驗模式：

（1）第一種模式：對無初始壓應力的混凝土進行碳纖維布外包后，在不同負載水平下長期持荷，并觀測其長期變形，達到預定持荷時間后測試其受壓力學性能；

（2）第二種模式：對不同負載水平下的混凝土柱長期持荷，并觀測其長期變形，達到預定的持荷時間后再外包碳纖維布，然后測試其受壓力學性能；

（3）第三種模式：對不同負載水平下的混凝土柱長期持荷，達到預定的持荷時間后外包碳纖維布，然后提高受壓荷載后再長期持荷，并觀測其長期變形，最后在達到預定的持荷時間時測試其受壓力學性能.

1.2 材料力學性能

混凝土按C20配制，其配合比分別為水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.65∶2.56∶4.01.不同齡期的混凝土力學性能參數詳見表2.

表2中的圓柱抗壓強度是指本試驗中圓柱體試件（直徑為110 mm、高為200 mm的圓柱體）的抗壓強度，而非歐美規范中的圓柱體（直徑為15.24 cm、高30.48 cm）的抗壓強度，目的是為了計算出各組試件需要施加長期荷載的大小.表2中不同的齡期分別對應各個加載歷程中的關鍵時間節點.混凝土的立方體抗壓強度通過預留的150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊進行抗壓強度試驗確定，每到預定時間壓1組試塊，每組3個，強度取其平均值.混凝土的彈性模量由預留的150 mm×150 mm×300 mm棱柱體的靜力受壓彈性模量試驗確定，每到預定時間壓1組試塊，每組3個，彈性模量取其平均值.混凝土力學性能的試驗嚴格按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）進行.CFRP采用名義厚度為0.111 mm的碳纖維布，實測平均抗拉強度為4 412 MPa，平均彈性模量為236 GPa.

表1 試件分組表Tab.1 Specimens in groups

表2 不同齡期混凝土的力學性能Tab.2 Mechanical properties of concrete of different ages

1.3 環境條件

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T 50082—2009），本次長期試驗在恒溫恒濕的徐變試驗室進行.由于溫度和濕度有時不恒定，故以實際測量的數據為準.試驗的環境溫度和環境濕度的觀測情況，如圖1和圖2所示.溫度的變化范圍為11.5～23.5℃，平均值為17.6℃，濕度的變化范圍為66%～74%，平均值為69.9%.

圖1 環境溫度的變化Fig.1 Ambient temperature variation

1.4 試驗方法

本次長期荷載試驗采用自行設計的裝置加載，如圖3所示.該加載裝置一共有6個，可對需要施加長期荷載的試件同時作用.試驗過程可以分為兩個階段：施加長期荷載的第一階段和施加破壞荷載的第二階段.

圖2 環境濕度的變化Fig.2 Ambient humidity variation

1.4.1 第一階段——長期荷載下的變形測量

在長期加載中，先用千斤頂對需要預載的試件加載至名義負載水平（第一次加載），然后擰緊螺母進行持荷.考慮到試驗過程中的應力損失和鋼拉桿的應力松弛，采用壓力傳感器來對實際負載水平進行控制和測量，并結合手持應變儀進行復核.同時，考慮到試件徐變和收縮對實際負載的影響，不定期用千斤頂對試件進行適當的補載.

考慮到加載時間較長，在進行長期變形的測量時采用具有良好的穩定性和可靠性的千分表.故本文選擇了在試件的兩個對角方形分別布置一個千分表，以此來進行長期變形的測量，如圖3所示.在加載初期，每天觀測并記錄長期變形，中期每隔3 d觀測并記錄，后期觀測時間間隔逐漸增大，每隔1周觀測并記錄.

圖3 試驗裝置Fig.3 Test facilities

1.4.2 第二階段——持荷后的應力和應變測量

在達到預定持荷時間后，未包裹碳纖維布的試件開始包裹碳纖維布.為避免碳纖維布搭接不牢而導致試件提前破壞，碳纖維布的搭接長度為100 mm；為避免混凝土試件端部提前破壞，在試件兩端加貼兩層30 mm寬纖維布進行加強.48 h后，待結構膠完全干后，對第一、二組的試件用千斤頂繼續加載（第二次加載）直至試件破壞；對第三組的試件則用千斤頂提高受壓荷載后，繼續持荷到預定時間，再進行第三次加載至試件破壞.對比試件的加載直接在200 t液壓試驗機上進行.

加載至破壞的試驗中，主要測量內容包括：沿圓柱試件中部一周的CFRP環向拉應變、柱子的縱向應變和柱子的豎向極限荷載值.為測量CFRP的環向拉應變和柱子的縱向應變，沿圓柱一周分別均勻布置了3片標距為20 mm和80 mm的電阻應變片，如圖3所示.

試驗數據的采集采用靖江市東華測試技術有限公司開發的DH3818靜態應變采集儀.試驗嚴格遵照《混凝土結構試驗方法標準》（GB 50152—2012）的有關規定進行.

2 試驗結果及分析

2.1 試件的破壞特征

對于第二、三組約束試件，在包裹CFRP前，混凝土柱的豎向應變和環向應變都有了一定程度的發展.因此，試件在負載水平較低時（名義負載為0.35），未出現表面裂縫；而在負載水平高時（名義負載為0.65），其表面出現了一些可見裂縫.

包裹CFRP以后，在荷載加至極限荷載的80%以前，未見明顯外觀變化，但此后，可以聽見間斷的碳纖維斷裂聲，且時有混凝土破裂的聲音.當荷載達到極限荷載時，隨著一聲巨響，碳纖維被忽然拉斷，并伴隨有混凝土碎屑崩出，其破壞過程十分迅速.碳纖維包裹后的試件均是由于纖維環向拉斷導致柱子最終喪失承載力.CFRP拉斷位置一般集中分布在試件的中部附近.試件的典型破壞形態見圖4.

總體上看，約束試件均為脆性破壞.對于二、三組試件，在負載水平較低時（名義負載水平＜0.6），其試驗現象與無負載的試件基本相同；在負載水平較高時（名義負載水平≥0.6），由于加固前試件表面就有不同程度的可見裂縫，縱向變形和橫向變形都有較明顯的發展，且混凝土內部已有一定程度的損傷，所以與無負載或低負載的試件相比，高負載的試件在二次加載時，混凝土的縱向應變和環向應變發展較快，破壞荷載較低.

2.2 長期荷載作用下的變形測量及分析

本次試驗在混凝土外涂環氧樹脂，并包裹了CFRP，形成密封外殼.混凝土中的水分沿柱軸向散失的路徑相當長，因此包裹CFRP的混凝土可以近似認為是理想狀態的密封混凝土，不產生干燥徐變［8］.

同時，Naguib W等［9］提出，混凝土的收縮主要發生在澆注后的90 d，此后隨時間的增加，收縮速度放緩.而對于密封條件下的混凝土，其收縮在90 d后幾乎停止.就本次試驗而言，混凝土柱加載時已經是第70 d，收縮已經大部分完成.就實際工程中被加固柱而言，在加固之前也有足夠的時間完成收縮.

對在不同加載模式下，是否考慮FRP約束混凝土柱的干燥徐變和收縮，如圖5所示.

表3給出了試件變形的測量結果.由表3可知，負載水平越高，總應變越大；相同負載水平下，未包裹FRP的試件總應變高于包裹FRP的試件，前者的原因是由混凝土徐變的特性決定的.一般而言，混凝土徐變隨負載水平的提高而增大［10］.而后者的原因則主要是由于FRP包裹所形成的密封狀態，阻礙了混凝土中水分的散失，從而減小了干燥徐變和收縮所造成的變形.

圖5 密封條件Fig.5 Seal condition of specimens

圖6～7給出了6個試件的縱向總應變隨時間變化的曲線，其中，第三組試件的變形為第二個階段.如圖所示，無論是未約束混凝土，還是約束混凝土在長期荷載作用下的縱向變形早期發展較快，持荷60 d的變形量為總變形量的63.6%～75.9%，而此后變形發展逐漸放緩，曲線漸趨水平.對于第三組試件，其第二階段的變形也呈現出相同的特點，在提高荷載后的前60 d，CCL3-1和CCL3-2增長的變形量分別為增加的總變形量的69.5%和67.5%，此后變形發展逐漸放緩，曲線漸趨水平.

表3 長期負載下試件應變的測量結果Tab.3 Measured strain of specimen under sustained load

圖6 第一、二組試件的變形Fig.6 Strain of the first and second group of specimens

圖7 第三組試件的變形Fig.7 Strain of the third group of specimens

2.3 破壞荷載作用下的試驗結果及分析

在破壞荷載作用下，長期負載試件與對比、基準試件的峰值點應力、應變的測量結果，如表4所示.由表4可知，從對比試件的角度分析，不同的加載歷程，其試驗結果的表現也不盡相同，分析如下：

（1）對于第一組試件，長期負載試件的峰值點應力與對比試件相差不大，而峰值點應變則稍大于對比試件.這是由于負載前已經包裹了FRP，施加的荷載相對于包裹后約束混凝土的極限荷載較低，長期荷載僅對變形產生影響，而對于試件承載力的影響不大.

（2）對于第二組試件，長期負載試件的峰值點應力和應變均小于對比試件，且負載水平越高，下降幅度越大.這是由于未包裹FRP的試件在長期負載中，混凝土產生了側向膨脹，導致后包的FRP存在一定的拉應變滯后，且混凝土存在一定程度的損傷［11-12］.盡管長期荷載作用下試件產生了一定的徐變變形，但該變形尚不足以彌補由于拉應變滯后、混凝土損傷等帶來的峰值點應變的下降.

（3）對于第三組試件，長期負載試件的峰值點應力比對比試件小，特別是高負載水平下的試件有明顯下降.應力下降的原因同第二組.而峰值點應變略高于對比試件.這是由于提高負載水平后，在隨后的持荷時間內，試件產生了充分的徐變變形，最后應變疊加的結果導致了最終的應變稍高于對比試件.

而從基準試件的角度來分析，從第一組到第三組，應力和應變的提高倍數都出現了不同程度的下降，特別是應變的提高倍數尤其明顯.這主要歸結于3點原因：（1）包裹FRP之前的負載導致的拉應變滯后；（2）包裹FRP后隨著荷載的提高，FRP在參與受力過程中產生了徐變變形和應力松弛［13-14］；（3）混凝土的峰值應力和應變隨齡期發生了增長.

表4 破壞荷載作用下試件的試驗結果Tab.4 Experimental results of specimens under failure load

3 結 論

（1）包裹CFRP前的初始負載會降低試件的峰值點應力和應變，隨著初始負載的增大，降低的幅度也隨之增大.包裹CFRP后的試件均是由于碳纖維環向拉斷導致其最終喪失承載力，屬脆性破壞.

（2）在長期荷載作用下，CFRP包裹后的試件比未包裹的長期變形小，隨負載水平的提高，試件的長期變形增大.不論有無CFRP約束，混凝土在長期荷載作用下的縱向變形均早期發展較快，而后發展逐漸放緩.

（3）從對比試件來看，在不同加載模式下，長期荷載對負載試件的峰值點應力、應變的影響不同.在第一種加載模式中，長期負載試件的峰值點應變大于對比試件，而峰值點應力相差并不大；在第二種加載模式中，長期負載試件的峰值點應力和應變均小于對比試件，且負載水平越高，下降幅度越大；在第三種加載模式中，長期負載試件的峰值點應力比對比試件小，特別是高負載水平下的試件有明顯下降.

（4）從基準試件來看，從第一組到第三組試件，應力和應變的提高倍數都出現了不同程度的下降，其中應力的變化尤其明顯.

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長期負載下CFRP約束混凝土圓柱軸壓試驗研究

潘 毅1，2， 吳曉飛1， 萬 里1， 袁 雙1

Experimental Study on Axially Loaded Circle-Section Concrete Columns Confined by CFRP under Long-Term Load

PAN Yi1，2， WU Xiaofei1， WAN Li1， YUAN Shuang1
（1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to analyze the effect of creep in concrete and CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）on the axial compressive behavior of CFPP confined concrete column under the sustained load，a total of twelve circular columns specimens were tested under three types of the long-term axial load modes.The failure characteristics of specimens were observed and the influence of sustained load on the deformation，the peaks of the strain and the stress of CFPP confined concrete columns were studied under different load modes and ratio of sustained load.The experimental results show that all of the CFRP confined columns lose carrying capacity due to the rupture of CFRP in loop direction，and the position of rupture generally locates at the mid-height of concrete column.The axial strain of CFRP confined concrete is smaller than that of unconfined specimens，and the deformation increases with the load magnitude.Under different sustained load types，the long-term axial preload have different effects on peak stress and peak strain of CFRP confined concrete.In general，the peaks of the stress and strain of concrete decrease along with the increment of the ratio of sustained load.When the ratio of sustained load is relatively high，peak stress and strain will decrease about 13%and 6% ，respectively.

CFRP（carbon fiber reinforced plastic）；confined concrete column；sustained load；creep

潘毅，吳曉飛，萬里，等.長期負載下CFRP約束混凝土圓柱軸壓試驗研究［J］.西南交通大學學報，2016，51（5）：847-854.

0258-2724（2016）05-0847-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.005

TU375.3

A

2015-03-28

國家自然科學基金資助項目（51108389）；國家留學基金資助項目（20123022）

潘毅（1977—），男，副教授，博士，研究方向為結構工程的抗震鑒定加固和纖維復合結構的應用，E-mail：panyi@swjtu.edu.cn

（中文編輯：徐 萍 英文編輯：周 堯）