FRP約束砼方柱軸心抗壓性能試驗

崔海琴，易志堅，黃 鋒，谷建義

（1.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省結構工程與防災重點實驗室，福建 廈門361021；3.重慶交通大學，重慶 400074）

FRP約束砼方柱軸心抗壓性能試驗

崔海琴1,2，易志堅3，黃 鋒3，谷建義3

（1.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省結構工程與防災重點實驗室，福建 廈門361021；3.重慶交通大學，重慶 400074）

為了研究FRP約束混凝土新結構的力學和延性性能，對11組33個素混凝土方柱進行了軸心抗壓性能試驗，其中1組對比柱，6組采用GFRP環向包裹，另外4組采用CFRP環向包裹.試驗研究了FRP材料、FRP纏繞方式及加固率、對方柱軸壓性能的影響.結果表明：FRP包裹的素混凝土方柱極限承載力和延性性能都有所提高；相同包裹層數、包裹方式的情況下，CFRP布包裹的方柱極限承載力和延性性能提高尤為顯著；GFRP作為加固材料性價比較CFRP高.

CFRP；GFRP；約束混凝土；方柱；軸心受壓；延性；極限承載力

1 引言

纖維增強聚合物(Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP)因其輕質、高強、耐腐耐久等優越性能，被廣泛應用于現有混凝土結構的加固與改造，亦可用于新建土木工程結構中. FRP約束混凝土新結構，當其受軸向壓力時，由于FRP的約束，使得核心混凝土處于三向受力狀態，改善了混凝土的脆性，提高了混凝土新結構的強度和延性，進而提高結構的抗震性能.

目前對FRP約束混凝土柱的研究主要集中于試驗，得出一些有益的結論：這種FRP約束柱可提高原結構的承載力，根據試驗數據建立了多參數的FRP約束柱的應力-應變曲線方程[1-9]，利用參數統計回歸得到了FRP約束柱的強度理論模型[10-12]，對此類約束混凝土結構的設計、應用起到積極的推動作用.已有研究表明FRP可增強混凝土柱的延性，但由于約束材料、約束方式等設計參數的不同，其改善程度無法形成統一標準，而主要以研究軸心受壓下FRP約束方柱的延性、韌性為目的，對FRP約束素混凝土柱的延性性能研究還不多見[13].

本文以FRP約束素混凝土方柱的軸心受壓試驗測試結果為基礎，重點研究素軸心受壓作用下CFRP約束方柱、GFRP約束方柱的承載能力和延性性能，分析FRP材料的約束效果，為后續FRP加固空心柱研究作參考.

2 試驗設計

2.1 試件設計

本次試件均為素混凝土方柱體，尺寸100mm×100mm ×400mm,混凝土強度等級C30,試件共分11組,每組3個試件：S1組為對比柱；G2～G4組為GFRP全約束柱；C5～C6組為CFRP全約束柱；G7～G9組為GFRP條狀約束柱；C10～C11組為CFRP條狀約束柱.對所有方柱進行倒角處理，半徑為10mm，如圖1所示.

圖1 試件模型及加固方式

2.2 試驗測試方案及加載裝置

試驗采用1000t壓力試驗機分級加載，壓力傳感器控制每級荷載，計算機自動采集荷載、位移，電阻應變片測量應變.量測的主要內容有：軸向荷載；軸向位移；縱向平均應變；纖維布縱、橫向應變；纖維角部應變；混凝土縱、橫向應變.測點布置如圖1所示，試驗裝置如圖2所示.

圖2 試驗裝置示意圖

3 試驗結果及分析

3.1 試驗現象描述

對比柱S1發生剪切破壞，柱的中上部首先出現豎向裂縫，隨著荷載的增加，裂縫經歷穩定期、發展期，最終試件被壓碎，完全喪失承載能力，且被分裂成多塊，這種破壞形式與前人所做的大量試驗一致.

全約束柱G2～G4破壞始于倒角處，GFRP被拉斷(伴有脆響聲)，此時核心混凝土早已被壓碎；全約束柱C5～C6破壞始于單股CFRP的斷裂，核心混凝土被壓成粉末，豎向裂紋明顯，最終試件斷成兩段.

條帶約束柱G7～G9無約束混凝土帶因側向膨脹而外鼓，出現豎向裂縫，繼而柱子拐角處GFRP因應力集中被撕裂(伴有脆響聲)；當非約束帶混凝土破壞嚴重時，拐角處的GFRP立即被拉斷，整個柱子破壞.

條帶約束柱C10～C11破壞形式與G7～G9試件相似，只是CFRP為單股斷裂，而GFRP為條帶斷裂.

試驗結果說明：外貼FRP對核心混凝土起約束作用，延緩方柱的破壞；全約束方柱的最終破壞為FRP的斷裂；條約束方柱的最終破壞為非約束區混凝土的擠壓破壞，而FRP完好.表明這種包裹方式下的FRP未能充分發揮作用.

3.2 荷載-位移曲線

各組試件的荷載-位移曲線對比情況如圖5所示.

圖3 FRP約束柱P-Δ曲線對比圖

由圖3可知，對比柱的骨架曲線只有上升段，破壞過程短，到達極限荷載后即破壞，為脆性破壞；約束柱加載至對比柱極限荷載后，骨架曲線出現拐點，且全約束柱骨架曲線呈現上升趨勢，條帶約束方柱出現下降趨勢，下降段較對比柱長，表現出很好的延性.約束柱骨架曲線較豐滿，三段式，上升段、屈服段及下降段，全約束柱骨架曲線屈服段較長.

由荷載-位移曲線可以得出，約束柱的受力全過程大致可歸納為4個階段：彈性，彈塑性，結構屈服、FRP拉斷.延性能力主要體現于在結構屈服階段，全約束方柱屈服階段長于條帶約束方柱，驗證了全約束方柱的延性性能優于條帶約束柱.

3.3 承載力分析

主要試驗結果匯總如表1所示.

由表1可知：條帶約束柱G5～G7，極限承載力提高幅度不明顯；2層CFRP條帶約束柱C11極限承載力提高幅度明顯，提高了14%；全約束柱C8～C9，極限承載力增長明顯，2層CFRP約束柱C9提高了91%；全約束柱G2～G4，其極限承載力提高幅度介于15～25%之間，4層GFRP全約束柱的抗壓能力相當于1層CFRP約束柱的抗壓能力.

3.4 延性分析

根據試驗現象和試件的荷載-位移曲線關系可知：FRP約束混凝土柱后，延性性能均有所提高，CFRP全約束柱，其延性性能提高尤為顯著.本文參考文獻[14]，根據實測的骨架曲線，用能量等效面積法計算試件的名義屈服位移Δy，極限位移Δu及延性系數μΔ，結果如表1所示.

由表1可知：約束柱其延性系數較對比柱有一定的提高，以CFRP全約束方柱尤為突出，全約束柱C9其延性系數高達6.83；條帶約束柱G5～G7、C10～C11的延性系數基本相等，約為1.3；GFRP全約束柱G2～G4，其延性系數較條帶約束柱提高約40%.

3.5 應力-應變曲線分析

圖4 全約束柱中截面纖維應變對比

圖5 條帶約束柱中截面纖維應變對比

圖6 條帶約束柱中截面砼縱向應變對比

各組試件混凝土、FRP材料軸壓荷載-應變全曲線、應變發展過程如圖4～6所示.

由圖4可知：全約束方柱荷載-應變曲線存在拐點，較未約束方柱曲線有明顯的下降段；隨著粘貼層數的增加，荷載-應變曲線的下降段趨于平緩,說明FRP約束混凝土方柱可以提高結構的延性，且隨著層數的增加延性顯著提高.

由圖4、5可知：CFRP約束柱柱中截面橫向峰值應變與GFRP約束柱幾乎一致，但其橫向極限應變高達15000με，約為GFRP約束柱的2倍，表現出極強的延性；條包柱柱中截面橫向峰值應變最小不到3000με，只有全約束柱的0.25倍；CFRP與GFRP約束方柱隨著纖維層數的增加，應變也隨之增加，且全約束柱較條帶約束柱增長明顯.

由圖6可知：混凝土荷載-應變曲線隨著包裹材料、層數的不同，幾乎沒有變化，曲線沒有下降段和拐點，與普通混凝土的應變變化規律無異.

4 結語

本文通過對11組FRP約束素混凝土方柱進行軸心受壓試驗，得到以下結論：

（1）FRP約束層數的增加，混凝土極限承載力較對比柱有所提高；全約束柱提高幅度大于條帶約束柱.

（2）延性性能隨FRP粘貼層數增加而提高，2層CFRP全約束柱，其延性系數提高幅度最大.

（3）CFRP全約束柱延性性能優于GFRP全約束柱.

（4）FRP條帶約束方柱的破壞過程短，其延性系數普遍較小.

（5）采用本文所示的條帶約束方案，GFRP材料基本沒有發揮作用，2層CFRP條帶約束方柱有一定的約束效果.

綜上所述，采用CFRP全約束方柱會極大的提高承載力，且延性有顯著的提高；從材料的性價比角度考慮，GFRP要優于CFRP，是一種性價比較高的加固材料；條包約束方柱理應比非約束柱性能好，鑒于試件的不充分性，有待進一步研究.

〔1〕徐競雄.FRP加固矩形混凝土柱研究[D].武漢：華中科技大學土木工程與力學學院，2011.1-4.

〔2〕MIRMIRAN A,SHAHAWAY M,SAMAAN M,et al．Effect of column paramenters on FRP-confined concrete[J].Journal of composites of construction,1998,2(4): 175-185.

〔3〕LAM L,TENG J G.Design-oriented stress-strain model for FRP-confined concrete in rectangular columns[J]. Journal of reinforced plastics and composites,2003,22(13): 1149-1186.

〔4〕WANG L M,WU Y F.Effect of corner radius on the performance of CFRP-confined square concrete columns：test[J].Engineering structures,2008,30(2):493-505.

〔5〕吳剛，呂志濤.纖維增強復合材料（FRP）約束混凝土矩形柱應力－應變關系的研究 [J].建筑結構學報，2004,25(3): 99-106.

〔6〕魏洋，吳剛，吳智深，等.FRP約束混凝土矩形柱有軟化段時的應力－應變關系研究 [J].土木工程學報，2008,41(3): 21-28.

〔7〕王代玉，王震宇，喬鑫．CFRP中等約束鋼筋混凝土方柱反復受壓本構模型 [J].湖南大學學報 （自然科學版），2014,41(4):39-46.

〔8〕WANG Z,WANG D,SMITH S T,et al.CFRP-confined square RC columns.I：experimental investigation[J].Journal of Composites for Construction,2012,16(4):150-160.

〔9〕單波，蔡靜，肖巖.Giorgio monti.大尺寸CFRP約束混凝土方柱的軸心抗壓試驗研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2016,43(3):75-82.

〔10〕ILKI A,KUMBASAR N,KOC V.low strength concrete members externally confined with FRP sheets[J].Structural Engineering＆Mechanics,2004(18)：167-194.

〔11〕KUMUTHAR,VAIDYANATHANR,PALANICHAMY M S.Behaviour of reinforced concrete rectangular culumns strengthened using GFRP[J].cement and concrete composites,2007,29(8)：609-615．

〔12〕WU Y F,WANG L M.Unified strength model for aquare and circular concrete columns confined by external jacket [J].Journal of Structural Engineering, 2009,135(3):253-261.

〔13〕崔海琴.FRP約束混凝土柱的增強、增韌性能研究[D].重慶：重慶交通大學，2007.

〔14〕許清風.局部損傷圓木柱維修加固方法的試驗研究[J].中南大學學報（自然科學版），2012,43(4):1506-1513.

表1 主要試驗結果

TU375.3

：A

：1673-260X（2017）05-0131-03

2017-02-22

福建省自然科學基金資助項目（2013J05080）華僑大學科研基金資助項目（11BS416）