碳纖維布加固鋼筋混凝土構件的性能研究

高翔

摘要：文章對碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的性能進行了試驗研究。本研究以鋼筋混凝土柱為研究對象，采用碳纖維布包裹柱，并進行實驗測試，以確定碳纖維布對柱性能的影響。本文還利用混凝土抗壓強度、鋼筋強度和碳纖維布性能的幾何特征和試驗參數，對碳纖維布約束的細長鋼筋混凝土柱進行了分析，以預測其結構性能。結果表明，碳纖維布對鋼筋混凝土柱的強度、延性和約束性能有顯著的提高。

關鍵詞：碳纖維布;鋼筋混凝土;柱;力學性能

中圖分類號：TQ327.8文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0090-05

約束效應和強度能力是鋼筋混凝土柱構件的關鍵問題。隨著混凝土強度的增加，鋼筋混凝土柱的脆性更加明顯。因此，柱需要額外的改進以改善限制和可變形特征。最近，越來越多地使用通過碳纖維布纏繞和粘合來改造鋼筋混凝土柱。特別是在地震區域，可以看到使用碳纖維布的有效性。碳纖維布可以很容易地應用在鋼筋混凝土柱上，并提供成本經濟和快速施工。碳纖維布的力學性能對鋼筋混凝土柱的性能有效。碳纖維布加固鋼筋混凝土柱結構最有效參數是材料的模量和強度、纖維聚合物的厚度、碳纖維布的層數量。

碳纖維布材料的應用提高了細柱鋼筋混凝土芯的約束性能。此外，碳纖維布對于實現結構構件的強度容量、延展性和剛度非常有效。因此，碳纖維布包裹到鋼筋混凝土柱中在土木工程應用和建筑領域具有顯著的優勢。因此，了解受碳纖維增強聚合物約束的鋼筋混凝土柱的結構行為非常重要。本研究的主要目的是探討碳纖維布約束的雙軸向受力的普通鋼筋混凝土細柱的受力性能。

1 實驗研究

本實驗研究的目的是研究碳纖維布對普通鋼筋混凝土柱性能的影響。試驗參數為混凝土抗壓強度、荷載偏心率、鋼筋屈服強度、碳纖維布性能、鋼筋和細長效應。研究了柱強度、載荷一撓度特性以及碳纖維布對普通鋼筋混凝土柱結構性能的影響。

1.1樣本柱信息

實驗工作包括十六平方的普通鋼筋混凝土柱。所有柱的長度均為1300mm。柱試樣的橫截面尺寸為125mm×125mm。根據ACI標準318-08確定柱試樣的長細比（橫截面回轉半徑的有效長度）為34.67。為了提供雙軸加載應用，在兩端的柱子上設計了兩個200mm×200mm×200mm的高強度鋼筋混凝土支架。變形鋼筋用于測試柱的縱向和橫向加固布置。縱向加強件是位于截面每個角落的8mm直徑的變形桿。側向加強筋設計有6mm直徑的變形鋼筋，在末端彎曲成135個鉤子。橫向拉桿間距分別在柱部分和支架上為100mm和50mm。縱向和橫向增強件的屈服強度分別為550MPa和630MPa。

使用CEM 142.5R型波特蘭水泥，干燥且清潔的天然砂礫骨料構建柱樣品。最大粗骨料尺寸為20mm。在混凝土混合物中使用自來水和超級增塑劑。柱樣品的混凝土混合物組合物的量在表1中給出。在實驗研究中，使用雙向碳纖維布即SikaWrapHex 300C 0/90來加強柱樣品。對于這種類型的片材，纖維在縱向和橫向兩個方向上設計。碳纖維布材料用Sikadur-330粘合劑涂在柱表面上。

1.2樣本柱的準備

在結構實驗室中，將鋼筋混凝土柱試樣水平澆鑄在鋼模中。使用機械振動器壓實試樣。為確定鋼筋混凝土的抗壓強度和性能，從每個混凝土批次中澆鑄至少三個混凝土圓筒試樣（直徑150mm，長度300mm）。用制備的柱樣品對圓筒進行相同的固化條件。

為了確定碳纖維布對鋼筋混凝土柱性能的影響，設計了無碳纖維布包裹的鋼筋混凝土柱、一層碳纖維布包裹的鋼筋混凝土柱和兩層包裹的碳纖維鋼筋混凝土柱。如圖表2所示。為了消除應力集中，在施加碳纖維布之前，柱試樣的尖角是圓形的。

無側限混凝土的圓柱抗壓強度（f_c），柱試樣的偏心率（e_x，e_y），碳纖維布設計細節見如表2所示。研究中柱試樣的平均混凝土抗壓強度在53.13～76.76MPa之間變化。

1.3測試設置和程序

使用結構實驗室中的萬能試驗機垂直測試柱樣品。柱樣品裝有釘扎終止條件。建立數據采集系統以記錄測試期間的數字測量。用四個線性可變差動傳感器記錄柱試樣的橫向變形，所述四個線性可變差動傳感器應用于x和y方向的中間高度柱。用500kN容量的測力傳感器測量雙軸施加的軸向載荷。在用于測試研究之前校準換能器和測力傳感器。

用不同的載荷偏心率測試制備的柱試樣（表2）以小增量（1kN/s）對試樣施加載荷，以獲得試驗柱的完整載荷一撓度曲線。在測試期間，數據采集系統測量并記錄x和y方向上的負載增量和相應的橫向變形。

1.4實驗結果和討論

研究了碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的試驗性能。在試驗中單軸施加軸向載荷。由于C1-0和C2-0的鋼筋混凝土試件的力學性能，沒有碳纖維布的普通鋼筋混凝土柱表現出脆性。觀察到柱失效和混凝土破碎發生在測試柱的中間高度或接近中間高度。由于橫向板材，用碳纖維布加固的鋼筋混凝土柱已經實現了橫向剛度。在張力側觀察到拉伸裂縫，并且在柱試樣的壓縮區域中發生混凝土破碎。可以看出，受限的雙向碳纖維布延遲了彎曲裂縫。在柱樣品的中間高度附近觀察到失效。在失效時，在柱的壓縮側發生混凝土破碎之后，一些縱向板在張力側斷裂。圖1顯示了經測試的碳纖維布約束細長鋼筋混凝土柱試樣的典型破壞機理。

柱的實驗測試結果已在表3中給出。通過比較控制柱試樣和碳纖維布限制柱，碳纖維布增加了鋼筋混凝土柱的強度。柱試樣的對比實驗軸向載荷-橫向撓度圖如圖2（a-b）所示。圖表表明，碳纖維布纏繞對細長鋼筋混凝土柱的荷載-撓度特性有很大影響。碳纖維布改善了鋼筋混凝土柱的延展性和可變形性。從圖中可以看出，鋼筋混凝土柱的極限荷載和撓曲能力隨著碳纖維布層數的增加而增加（圖2（a-b））。此外，鋼筋混凝土柱試件的極限承載力受荷載偏心、混凝土抗壓強度和細長效應的顯著影響。

在目前的工作中已經觀察到用碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的完整實驗。所獲得的實驗結果為描述碳纖維布增強細長鋼筋混凝土柱的結構行為提供了重要的知識。

2 分析研究

先前在Tokgoz和Dundar等人中提出了一種分析軸壓和雙軸彎曲混凝土柱的理論方法。該方法已在此處進行了擴展和修改，以確定碳纖維布約束細長鋼筋混凝土柱的性能。在提出的程序中，混凝土截面的壓縮區域被分成小元素，用于計算每個元素的應力合力。認為碳纖維布不能承受任何壓縮力。另一方面，碳纖維布在縱向實施的情況下提供拉力。因此，碳纖維布在張力側被分成小元件，以使用材料應力一應變定律確定拉伸應力。

分析方法基于以下假設：①平面截面在彎曲前后保持平面，②考慮材料的非線性行為，③提出混凝土的約束應力-應變關系，④彈性-假設鋼筋材料具有完美的塑性應力-應變關系，⑤碳纖維布的應力-應變關系假定為線性彈性直至破裂，⑥混凝土拉伸強度忽略不計，⑦不包括收縮和蠕變效應，鋼筋混凝土和碳纖維布之間存在完美的粘結，⑧軸向和剪切變形被忽略。

在Tokgoz和Dundar等報道的配套文件中已經提出了分析程序的全面測定。軸向載荷N的基本平衡方程，以及碳纖維布約束鋼筋混凝土柱的彎矩M_x和M_y

其中A_c、A_s和A_fp分別為混凝土的構件面積、鋼筋的面積和碳纖維布的單元面積;S_x、S_s和S_fp分別為混凝土應力、鋼筋應力和碳纖維布應力;（x_c，y_c），（x_s，y_s）和（x_fp，y_fp）分別表示混凝土的元素區域的中心、鋼筋和碳纖維布元素的元素區域的中心之間的距離，以及幾何中心x-y平面。在將板材作為縱向實施方式包裹到鋼筋混凝土柱構件的情況下，考慮碳纖維布元件力的貢獻。有關鋼筋混凝土柱分析程序的更多細節可以在Tokgoz和Dundadr等人的文章中找到。

基于所提出的分析方法的開發的軟件程序分析了測試的柱長、混凝土抗壓強度、軸向載荷偏心率和碳纖維布設計的實驗性能如表2所示。碳纖維布的厚度為0.166mm，拉伸強度為3900MPa，彈性模量為230GPa，由制造商規定。

在這項研究中，碳纖維布約束細長鋼筋混凝土柱的應力-應變曲線進行分析。除此之外，分析了沒有碳纖維布的對照柱樣品。實驗載荷（N_rest）、分析柱強度結果（N_u）和柱試樣的比較結果如表3所示。柱試樣的軸向載荷-橫向偏差圖比較如圖3所示（a-b））。

分析結果表明，碳纖維布約束細長鋼筋混凝土柱的試驗和分析結果之間達到了很好的精度。預測的極限強度容量（Nu）與受碳纖維布約束的細長鋼筋混凝土柱的試驗結果相比較，受到雙軸彎曲和軸向載荷（表3）。已經獲得了對測試負載的預測負載的平均值為1.034。在分析中，使用針對碳纖維布加固鋼筋混凝土和碳纖維布提出的應力一應變模型提供了良好的相關性。結論是縱向和橫向定向板都提供了顯著的結構能力。分析研究表明，碳纖維布增加了細長鋼筋混凝土柱的約束力、延性和強度。

3 結語

文章對碳纖維布約束的鋼筋混凝土細柱在軸壓和雙向彎曲共同作用下的結構性能進行了試驗研究。試驗參數主要有混凝土抗壓強度、荷載偏心率、長細比和碳纖維布數量。考慮到材料的非線性特性，采用一種理論方法對試件進行了分析。雙向（即橫向和縱向）碳纖維布的使用增加了細長鋼筋混凝土柱的約束性、延性和極限承載力。此外，碳纖維布層數的增加顯著增加了柱試件的約束和承載力。結果表明，混凝土抗壓強度、荷載偏心距和長細比對碳纖維布約束的鋼筋混凝土柱性能有較大影響。

碳纖維布約束混凝土的假定應力一應變圖在預測碳纖維布包裹的細長鋼筋混凝土柱的極限承載力和荷載-橫向變形行為方面具有合理的準確性。試驗結果與分析結果的比較表明，碳纖維布約束的鋼筋混凝土雙向加載柱具有較好的精度。試驗和分析結果表明，在雙向彎曲和軸向荷載作用下，橫向和縱向兩種包裹方式均能顯著改善鋼筋混凝土細柱的結構性能。