CFRP約束矩形截面混凝土柱

周紹艷 劉泓睿 夏培炎 周揚(yáng)揚(yáng)

摘要：將簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)柱為300mm試塊，實(shí)驗(yàn)對(duì)象：30個(gè)碳纖維布（CFRP）包裹混凝土構(gòu)件;試驗(yàn)：?jiǎn)屋S受壓試驗(yàn);控制變量：應(yīng)變速率、構(gòu)件截面長(zhǎng)寬比、倒角半徑;實(shí)驗(yàn)結(jié)果：CFRP約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和CFRP布的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同控制變量下的變化趨勢(shì)。

Abstract： The simplified structural column is a 300mm test block. The experimental object： 30 carbon fiber cloth （CFRP） wrapped concrete members; test： uniaxial compression test; control variables： strain rate， component section aspect ratio， chamfer radius; experiment results： the change trends of stress-strain curve of CFRP-constrained concrete and the stress-strain curve of CFRP cloth under different control variables.

關(guān)鍵詞：CFRP約束混凝土試塊;截面長(zhǎng)寬比;倒角半徑;應(yīng)變速率

Key words： CFRP confined concrete test block;section aspect ratio;chamfer radius;strain rate

中圖分類號(hào)：TU375.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）34-0120-03

0? 引言

CFRP約束混凝土柱在單軸受壓實(shí)驗(yàn)中，混凝土在荷載作用下發(fā)生橫向變形，橫向截面開(kāi)始擴(kuò)張，對(duì)CFRP布產(chǎn)生膨脹的應(yīng)力，而CFRP布為了抵抗膨脹而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力來(lái)約束混凝土的側(cè)向變形，從而提高混凝土的抗剪切變形的能力。此時(shí)CFRP布產(chǎn)生的是反環(huán)向拉伸應(yīng)力，所以構(gòu)件破壞將會(huì)是CFRP布斷裂為主。

1? 試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)是研究CFRP約束混凝土柱在單軸受壓試驗(yàn)下不同加載速率的試驗(yàn)線現(xiàn)象，以及分析CFRP約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和CFRP布的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)選為C30，截面單取方形，構(gòu)件一律采用CFRP布包裹，控制外包纖維布類型、CFRP布包裹層數(shù)、倒角半徑、試件尺寸。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）要求，本實(shí)驗(yàn)構(gòu)件尺寸選擇為300×150×150mm3棱柱體，截面尺寸選取三種長(zhǎng)寬比h/b=1.0、1.25、1.5。《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50367-2013）要求，構(gòu)件轉(zhuǎn)角處曲率半徑應(yīng)大于或者等于20mm。本試驗(yàn)采取尺寸為40mm、50mm和70mm的倒角半徑。

按照常規(guī)混凝土單軸受壓試驗(yàn)的應(yīng)力速率控制，本試驗(yàn)采用三種不同應(yīng)變速率：2.810-5/s、2.810-4/s和2.810-3/s，分別對(duì)應(yīng)模擬：準(zhǔn)靜態(tài)荷載、一般地震荷載以及劇烈地震荷載。

1.1 材料選用和技術(shù)性能

①混凝土：普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為42.5。

②水：拌合水（取自自來(lái)水）。

③粗骨料：碎石，平均粒徑15mm。

④細(xì)骨料：天然河沙（中砂）。

⑤CFRP布：日本東麗公司生產(chǎn)，型號(hào)是ut70×30，其基本性能見(jiàn)表1。

⑥粘結(jié)劑：上海三悠公司生產(chǎn)的CFRP布專用環(huán)氧樹(shù)脂。

⑦應(yīng)變片：電阻應(yīng)變片，50mm×5mm，益陽(yáng)市赫山區(qū)廣測(cè)電子有限公司生產(chǎn)。

1.2 配合比

混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30，據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50204-2015）以及《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55—2011）等相關(guān)國(guó)內(nèi)使用規(guī)范，混凝土配合比：混凝土強(qiáng)度等級(jí)：水/;水泥/;石頭/;沙子/。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用素混凝土圓柱（150mm×300mm）6個(gè)，F(xiàn)1組CFRP約束混凝土方柱（150mm×150mm×300mm，倒角半徑為40mm）6個(gè);F2組CFRP約束混凝土方柱（150mm×150mm×300mm，倒角半徑為50mm）6個(gè);F3組CFRP約束混凝土方柱（150mm×150mm×300mm，倒角半徑為70mm）6個(gè);F4組CFRP（150mm×187mm×300mm，倒角半徑為50mm）6個(gè)，F(xiàn)5組CFRP約束混凝土方柱（150mm×225mm×300mm，倒角半徑為50mm）6個(gè)，試件統(tǒng)一采用CFRP布進(jìn)行包裹。采用位移加載的加載方式，加載速率分別為8.4×10-5mm/s、8.4×10-4mm/s、8.4×10-3mm/s。

2? CFRP約束混凝土柱試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

F1組的搭接長(zhǎng)度：150mm，倒角半徑：40mm，采用CFRP單層包裹; F2組、F4組和F5組的搭接長(zhǎng)度：150mm，倒角半徑：50mm，采用CFRP單層包裹，碳纖維約束混凝土柱斷裂的斷口隨著倒角半徑的增加呈現(xiàn)出由整齊到不再整齊，并且陸續(xù)出現(xiàn)多個(gè)斷口，位置不單一;F3組的搭接長(zhǎng)度150mm：，倒角半徑：70mm，采用CFRP層包裹，碳纖維約束混凝土柱斷裂的斷口隨著倒角半徑的增加呈現(xiàn)出由整齊到不再整齊，并且陸續(xù)出現(xiàn)多個(gè)斷口，位置不單一。研究發(fā)現(xiàn)方柱的σ-ε曲線區(qū)別于正方形柱的，當(dāng)方柱塑性變形階段后其σ-ε曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，此時(shí)碳纖維布噼啪作響，有拉伸，欲撕裂的現(xiàn)象。

2.2? 靜態(tài)加載試驗(yàn)現(xiàn)象

CFRP約束混凝土的靜態(tài)性能（其加載速率為0.0084mm/s）試驗(yàn)試件總共10個(gè)。當(dāng)初始加載時(shí)，發(fā)現(xiàn)CFRP布應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線，混凝土與CFRP布的橫向變形較小，試件的外觀變化不明顯;當(dāng)荷載達(dá)到900kn左右時(shí)，試件開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段。然后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率逐漸減小，達(dá)到峰值后減小到0，因?yàn)镃FRP布被包裹在外面，當(dāng)達(dá)到軸時(shí)，在應(yīng)力峰值處沒(méi)有明顯的現(xiàn)象;在達(dá)到應(yīng)力峰值后，有CFRP布撕裂的聲音。短暫的聲響后，又恢復(fù)平靜，承載力開(kāi)始迅速下降;當(dāng)承載力下降到應(yīng)力峰值的85%時(shí)，應(yīng)力值保持在這個(gè)水平上并向下浮動(dòng);當(dāng)接近破壞時(shí)，可以清楚地聽(tīng)到局部的聲音。有碳纖維線連續(xù)撕裂的聲音，持續(xù)幾秒鐘，響亮而清晰;最后一次破壞時(shí)，也有響亮的聲音，中間的碳纖維布完全開(kāi)裂剝落并延伸到兩端，還有一點(diǎn)混凝土碎片飛出，此時(shí)，承載力直線下降至0，試塊損壞?？梢?jiàn)，試件內(nèi)部的部分混凝土被壓碎成小塊或粉末。

2.3 動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)現(xiàn)象

CFRP約束混凝土的動(dòng)態(tài)性能（加載速率為0.084mm/s和0.84mm/s）用20個(gè)實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)期間快速加載試驗(yàn)的破壞過(guò)程和靜態(tài)加載試驗(yàn)的破壞過(guò)程比較相似，但是試件破壞更加突然是由加載速率所造成，因此破壞后試件產(chǎn)生的能量更加巨大，伴隨著破壞前CFRP密集且響亮的撕裂聲和破壞后更加巨大的破壞聲充分體現(xiàn)了這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，破壞時(shí)的實(shí)驗(yàn)試件有著混凝土濺出的現(xiàn)象。破壞后的實(shí)驗(yàn)試件CFRP被撕裂成多股纖維，快速加載時(shí)實(shí)驗(yàn)試件呈椎體狀，當(dāng)臨近破壞時(shí)可以用肉眼看到試件中部膨脹，由于纖維絲被劇烈拉伸而產(chǎn)生發(fā)白的現(xiàn)象。在高應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下試塊內(nèi)部的混凝土進(jìn)一步被破碎，幾乎在高應(yīng)變速率加載下的全部試件從實(shí)驗(yàn)支架上取出后全部都散成多段，導(dǎo)致試件無(wú)法完整取出。

3? 結(jié)語(yǔ)

對(duì)30個(gè)CFRP約束混凝土方柱進(jìn)行較為完整軸壓試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)CFRP材料的性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析。在進(jìn)行CFRP材料試驗(yàn)中，脆性斷裂是CFRP的破壞主要表現(xiàn)形式，在拉伸CFRP材料過(guò)程中線彈性特征為主要表現(xiàn)明顯。約束柱在進(jìn)行軸壓試驗(yàn)時(shí)，在倒角處有多數(shù)試塊發(fā)生破壞，伴隨著巨大爆破聲試件均被破壞。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)束通過(guò)對(duì)破壞形式的統(tǒng)計(jì)，角部破壞和混合破壞是此次試驗(yàn)的主要破壞形式，這表明了約束柱一般在角部存在薄弱點(diǎn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，約束柱的抗壓強(qiáng)度與倒角半徑和應(yīng)變速率成正比增加，約束柱的抗壓強(qiáng)度與截面長(zhǎng)寬比成反比，當(dāng)實(shí)驗(yàn)加載速率每增加10倍時(shí)，CFRP約束混凝土的極限抗壓強(qiáng)度大約呈現(xiàn)8%-15%上升趨勢(shì);根據(jù)試驗(yàn)的曲線圖表，由于不同的試驗(yàn)倒角半徑和試驗(yàn)截面長(zhǎng)寬比，導(dǎo)致出現(xiàn)充分約束和不充分約束兩種情況的約束柱應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明混凝土抗壓強(qiáng)度以及峰值應(yīng)變能力提升效果減弱是由不充分約束導(dǎo)致的。

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