负载下碳纤维布约束混凝土方柱的轴压试验研究.doc

负载下碳纤维布约束混凝土方柱的轴压试验研究潘毅1,3，曹双寅2，林拥军1，杨成1,3(1.西南交通大学，四川 成都，610031; 2.东南大学，江苏 南京，210096；3.抗震工程技术四川省重点实验室，四川 成都 610031)摘要：碳纤维布约束混凝土柱可以提高其强度和延性,是一种经济、有效的常用加固方法。过去的研究工作大多集中在无负载的混凝土柱，而在实际加固工程中，混凝土柱通常处于负载状态。通过16个碳纤维布约束混凝土方柱的轴压试验，研究了方柱在不同的负载水平和碳纤维包裹层数下的破坏特征和力学性能，并对负载导致约束混凝土峰值点应力和应变下降的原因进行了分析。试验结果表明，负载水平的大小对于碳纤维布的约束效果是有明显影响的。随着负载水平的提高，第二阶段刚度、峰值点应力和应变均逐渐下降；而碳纤维布包裹层数的增加，则放大了这种效应。关键词：碳纤维布；混凝土方柱；负载水平；峰值点应力；峰值点应变分类号：TU375.3 文献标识码：AExperimental Research on Axially Loaded Square-Section Concrete ColumnsConfined by CFRP under Preload PAN Yi1,3，CAO Shuangyin2，LIN Yong-jun1，Yang Chen1,3（1. Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.Southeast University, Nanjing 210096, China；3. Key Laboratory of Seismic Engineering of Sichuan Province, Chengdu 610031，China）Abstract: The strength and ductility of concrete column confined by FRP can be improved. Its become popular in the retrofit of reinforced concrete structures, due to the advantages of cost-effective. Over the last few years, most research work has been focused on concrete columns confined by CFRP without preload, while in reality most columns are under preload. A total of 16 square-section concrete columns confined by CFRP sheet were tested in uniaxial compression involved in different preload ratio and CFRP plies. The failure characteristic and mechanics behavior of confined concrete columns were presented, and the descending of the peak stress and strain of confined concrete due to preload were analyzed. The experimental results indicated that the confinement effect of CFRP was influenced by preload ratio observably. The second stiffness, the peak stress and strain declined with preload ratio ascending, and the extent developed with the enhancement of CFRP ply.Key words: carbon fiber reinforced plastic (CFRP) sheet; square-section concrete; preload ratio; preload ratio; peak stress; peak strain引言 收稿日期：2009-11-30基金项目：国家自然科学基金资助项目（50678150）；国家科技支撑计划课题资助项目（2009BAJ28B01）；西南交通大学校科学基金资助项目（2008A02，2008A05）. 作者简介：潘毅（1977.9 ），男，博士，副教授，研究方向为工程结构的鉴定与加固理论及应用、混凝土结构的耐久性和纤维复合结构的研究. 外贴碳纤维布（CFRP）包裹混凝土柱，可通过约束混凝土柱的侧向膨胀来改善其受压性能。近年来，国内外对此进行了大量的研究，取得了一些成果，但研究主要集中在没有初始应力情况下的混凝土柱1-3，而对于有初始应力情况下外包FRP约束柱的研究非常少。众所周知，FRP约束混凝土为被动约束，外包FRP是在被约束混凝土产生一定的侧向膨胀变形后才能有效发挥其侧向约束作用。而在实际工程中，绝大多数被加固柱是处于负载状态，存在一定的初始侧向膨胀变形，此时采用FRP包裹约束时，外包的FRP就必然存在一定的拉应变滞后。根据文献4可以看出初始应力导致的FRP受拉应变滞后对试验结果的影响是不可忽视的。因此，负载下FRP约束混凝土的力学性能，以及初始应力对FRP约束效果的影响程度，是工程界关心的问题。本文作者曾就负载下CFRP约束圆形截面混凝土柱进行了相关分析和探讨5，但在实际工程中，接触最多的往往是矩形截面柱而非圆形截面柱。由于矩形截面柱研究的复杂性，目前各国学者对矩形截面柱的研究仍然没有达到象圆形截面柱那样深入，而对负载下FRP约束矩形截面混凝土柱的研究很少。鉴于这种情况，本文选择了介于圆形截面和矩形截面之间的方形截面作为研究对象。1. 试验概况1.1 试验设计本次试验设计了16个方形截面的试件，试件的边长为100mm，倒角20mm，高200mm，混凝土强度等级为C20，CFRP包裹层数分为1层和2层两种。名义负载水平定义为，预加荷载与未包裹碳纤维柱体破坏荷载的比值。本次试验中，名义负载水平分为0，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8七个等级。按CFRP层数和负载水平的不同，试件分为2组，详细参数见表1。表中实际荷载水平定义为，二次加载前考虑预加荷载损失后的实际荷载与未包裹碳纤维柱体破坏荷载的比值。表1 方形截面试件设计参数Table1 Design of square cross section specimens试件分组试件编号名义负载水平实际负载水平包裹CFRP层数第1组RC1-0对比00RC1-1001RC1-20.30.221RC1-30.40.321RC1-40.50.431RC1-50.60.521RC1-60.70.641RC1-70.80.711第2组RC2-0对比00RC2-1002RC2-20.30.232RC2-30.40.312RC2-40.50.412RC2-50.60.542RC2-60.70.612RC2-70.80.7021.2 材料力学性能混凝土按C20配制，28天龄期的立方体抗压强度平均值为21.1 MPa。碳纤维布采用名义厚度为0.111mm碳纤维布，实测抗拉强度平均值为4412 MPa，弹性模量平均值为236GPa。图1 试验装置图Fig.1 Test facility1.3试验方法本试验采用自行设计的加载装置，如图1所示。该加载装置一共有六个，试验分两批进行，每批八个试件。实验中，对需要预载的构件，用千斤顶预加荷载至名义负载水平，然后拧紧螺母进行持荷。考虑到钢拉杆的应力松弛以及拧螺母过程中的应力损失，实际施加到试件上的预加荷载值由千斤顶与钢承力板之间的一个压力传感器来进行控制和测量，并结合手持应变仪进行复核。在预加荷载（第一次加载）24小时后，构件开始包裹碳纤维布，其搭接长度为100mm，为避免混凝土试件端部提前破坏，在试件两端加贴两层30mm宽纤维布进行加强。48小时后，用千斤顶继续加载（第二次加载）至试件破坏。对不需要预载的构件，加载在200t液压试验机上进行。试验遵照混凝土结构试验方法标准（GB 50152-92）的有关规定执行。实验中，主要测量内容包括沿方柱构件中部侧面中点的CFRP环向拉应变（测点2）、柱子拐角处的CFRP环向拉应变（测点3）、柱子的纵向应变（测点1）和柱子的竖向极限荷载值。2. 试验结果2.1 一般现象碳纤维包裹后的试件均是由于纤维环向拉断导致柱子最终丧失承载力。试验加载到极限荷载的80以后，可以听见间断的碳纤维断裂声，且时有混凝土破裂的声音。当荷载达到极限荷载时，随着一声巨响，碳纤维被忽然拉断，并伴随有混凝土碎屑崩出，其破坏过程十分迅速。虽然在试件角部进行了倒角处理，但大部分试件CFRP断裂位置仍然集中在柱子的角部。试件破坏后，剥开CFRP发现，核心混凝土基本被压碎，CFRP断裂处有混凝土崩出。柱四边中点附近混凝土向外鼓出，已完全压碎并与CFRP分离。这说明在四边中点附近的混凝土所受的侧向约束远不如截面核心区混凝土，混凝土截面存在有效约束区和非有效约束区。试件的典型破坏形态见图2。总体上看，对于预载值较低（名义负载水平0.6）的试件，其试验现象与无预载的试件基本相同，但从应力应变曲线看，其转折点的应力和强化段的斜率程度的可见裂缝，纵向变形和横向变形都有较明显的都较无负载的构件有降低的趋势。对预载值较高（名义负载水平0.6）的试件，加固前试件表面就有不同发展，混凝土内部已有一定程度的损伤，与无预载或低预载的试件相比，高预载试件在二次加载时，混凝土的纵向应变和环向应变发展较快，破坏荷载较低。采用CFRP布加固后，各试件的峰值应力和峰值应变都较素混凝土有很大提高，但增加幅度随着负载水平的提高而逐渐降低。（a）RC1-7（b）RC2-5图2 FRP约束混凝土试件的典型破坏形态Fig.2 The failure of FRP confined square concrete specimens2.2 主要实测结果表2列出了本次试验的主要实测结果。表2 FRP约束混凝土方柱的主要实测结果Table 2 Experimental data of square concrete specimens confined by FRP试件代号实际负载水平m破坏荷载(kN)峰值轴向压应力(MPa)峰值轴向压应变最大环向拉应变轴向压应力提高倍数峰值轴向应变提高倍数RC1-016216.7816131452RC1-1031132.2113323136761.92 8.26 RC1-20.2530631.6912870131441.89 7.98 RC1-30.3430231.2712149127751.86 7.53 RC1-40.4228529.5211805127021.76 7.32 RC1-50.5126527.4411273121131.64 6.99 RC1-60.6325326.2011160116891.56 6.92 RC1-70.7224124.9610581111511.49 6.56 RC2-017017.6117281529RC2-1046247.8519069141662.72 11.04 RC2-20.2645647.2218689138562.68 10.82 RC2-30.3344746.2918452133732.63 10.68 RC2-40.4142844.3217710130252.52 10.25 RC2-50.5439440.8016943125582.32 9.80 RC2-60.6137038.3215718116852.18 9.10 RC2-70.7134235.4215348112462.01 8.88 由于预载水平接近的构件其应力应变曲线也比较靠近，为便于比较，对于每组构件本文仅给出有代表性的5个构件的曲线。图3和图4为两组方柱的应力应变曲线。图3 方柱第一组试件Fig.3 Specimens of first group图4 方柱第二组试件Fig.4 Specimens of second group2.3 试验结果的分析在本次试验中，通常都是拐角处的FRP先被撕裂破坏。这说明方柱的拐角对FRP的受力性能较大的削弱，这与文献6的研究结论基本一致。从图3和图4可知，负载水平对第一阶段刚度影响不大，而对第二阶段刚度影响比较明显，随着负载水平的增加，第二阶段刚度逐渐退化。从表2可知，实际负载水平从0到0.7左右，两组方柱的峰值压应力分别下降了22.5和26.0；峰值压应变分别下降了20.6和19.5。方柱的峰值压应力降幅随着碳纤维的层数增加而增大，但峰值压应变似乎并没有随碳纤维的层数增加而降幅增大，这大概是试验误差所致，有待更多试验来验证。本文认为，负载下混凝土峰值点应力和应变，以及第二阶段刚度降低的原因主要有以下三点：(1) FRP约束混凝土是一种被动约束，依靠被约束混凝土在荷载下产生侧向膨胀，使外包FRP拉伸变形而发挥作用。根据本次实验，实际负载水平在0.50.6左右时，素混凝土试件实测环向拉应变已经大于其极限拉应变，出现裂缝，产生了较明显侧向膨胀变形，从而导致后包裹的FRP拉应变滞后。当FRP的层数增加时，这种滞后效应就被放大了，从而导致加固后试件力学性能的降低幅度增大。(2) 由于混凝土为脆性材料，在轴心压力作用下，柱体外表面会随机产生裂缝。一旦出现裂缝，裂缝位置的环向张拉力就全部转移到FRP上，那么在此位置的FRP就产生一定的应力集中，这就可能导致局部提前拉断7。较高的负荷水平造成的裂缝，以及在持荷期间造成裂缝进一步的开展，进一步加剧了FRP沿构件环向应力分布的不均匀性，导致出现更多的FRP局部应力集中。(3) 文献8-10的研究结果表明先经历任何形式的加载都会导致再加载时混凝土强度发生程度不同的劣化。较高的负载水平对混凝土造成的损伤，也削弱了混凝土自身的承载力。这也在一定程度上降低了FRP约束混凝土的力学性能。3. 结论（1）负载对于FRP约束混凝土柱的极限应力和应变是有影响的，随着负载水平的提高，其极限应力和应变降低。因此，对于负载下FRP约束混凝土的加固设计中，应该考虑对其设计值进行折减，以保证加固后结构的安全。（2）负载对于FRP约束混凝土柱的第一阶段刚度基本没有影响，但随着负载水平的提高，第二阶段刚度逐渐被削弱。（3）相同负载水平下，随着碳纤维布的包裹层数加大，其极限应力降幅增加。这是由于CFRP的拉应变滞后效应随着碳纤维布包裹层数的增加在一定程度上被放大了。（4）在不同的负载水平下，FRP存在不同程度的应变滞后。因此，在实际工程中，应对被加固柱尽可能进行卸载，减小负载水平，以达到良好的加固效果。参考文献：1 Teng J G, Chen J F, Smith S T, FRP Strenghened RC StructureM. England: John Willey & Sons LTD, 2002.2 Jing Denghu, Cao shuangyin. A model for calculating the axial stress-strain curve of square-section concrete column confined by FRPJ. China civil Engineering Journal, 2005，38（12）：32-37.敬登虎，曹双寅. 方形截面混凝土柱FRP约束下的轴向应力-应变曲线计算模型J. 土木工程学报，2005，38（12）：32-37.3 Maalej M，Tanwongsval S，Paramasivam P. Modelling of rectangular RC columns strengthened with FRPJ.Cement & Concrete Composite，2003（25）：263-276.4 Jing Denghu. The strain-lag of RC column confined by GFRPJ. Special Structure Journal, 2003.20(3)：74-76. 敬登虎. GFRP加固RC柱应变滞后分析J. 特种结构，2003.20(3)：74-76.5 Pan Yi, Cao Shuangyin, Jing Denghu, et al. Experimental Research on Axially Loaded Circular Concrete Columns Confined by CFRP under PreloadJ. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting，2008.30(2): 68-72.潘毅，曹双寅，敬登虎，等. 负载下碳纤维布约束混凝土圆柱的轴压试验研究J. 工程抗震与加固改造，2008.30(2): 68-72.6 Pan jinglong, Wang Yuguang, Lai Wenhui. Effect of sectional shape of concrete column on the bearing capacity of short columns wrapped with FRPJ. Industrial Construction, 2001，31（6）：17-19.潘景龙，王雨光，来文汇.