CFRP 管约束混凝土柱轴压力学性能的试验研究

孔令鹏，单鲁阳

KONG Lingpeng，SHAN Luyang

(浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州310014)

CFRP 即碳纤维增强复合材料，是英文(carbon fiber reinforced polymer )的缩写。近年来国内外对于CFRP 材料的研究比较多［1-5］，但是关于CFRP管约束混凝土构件的研究仍然处于初级阶段。本试验主要针对CFRP 管约束混凝土柱的轴心受压力学性能进行研究，从纤维缠绕角度以及纤维缠绕层数两个方面，分析其对CFRP 组合构件力学性能的影响。

1 试件的制作

本试验共4 组18 个试件，系统地研究纤维布铺设角度、管壁厚度对CFRP 管约束混凝土柱承载力的影响。材料性能指标见表1、表2，试件编号见表3。

表1 C 纤维布性能指标

表2 碳纤维复合浸渍粘贴结构胶性能参数

表3 试件分组

2 测点布置及数据采集

CFRP 管约束混凝土柱在轴向荷载作用下发生变形，为了准确地反映出CFRP 管变形特征，本试验在CFRP 管外侧粘贴了应变片，应变片贴在CFRP管中部，间隔120°设置横向和纵向两个30 mm ×3 mm 规格的应变片，共计6 个，测量CFRP 管中部的横向和纵向的应变;对于素混凝土柱仅在混凝土外侧中部间隔120°布置横向和纵向两个应变片，考虑到素混凝土柱外部的不均匀性，素混凝土柱外部采用50 mm×3 mm 的应变片。

3 试验结果与分析

3.1 试验破坏现象

在加载初期由于作用力较小，无明显试验现象，每间隔100 kN 通过数据采集仪器对正在加载试件的轴向和环向应变进行一次数据采集。当压力试验机加载到极限荷载的70%左右时，有咝咝的纤维断裂声，用于固定应变片的环氧树脂开始脱落，此时每间隔50 kN 进行一次数据采集。随着荷载的逐渐增大，纤维断裂声更加明显，局部环氧树脂被弹飞。当加载到极限荷载的90%左右时，纤维断裂声持续不断，为详细了解破坏前的变形特征，每间隔20 kN 进行一次数据采集。当加载到极限荷载时，试件中部突然炸裂，内部混凝土飞溅出来，CFRP 管中间部分脱落。此时压力试验机开始卸载，在计算机上显示出试件的极限承载力和极限压强，详细破坏现象见图1。

图1 试件破坏现象

3.2 试验结果分析

3.2.1 纤维缠绕角度的影响

随着纤维缠绕角度的变化组合构件承载力随之变化的主要原因在于，纤维管对内部核心区混凝土的约束作用发生了改变，当纤维缠绕角度从0°～30°变化时，纤维受力沿水平和垂直方向分解，由于纤维只能承受拉力而不能承受压力，所以不考虑纤维轴向受压，且纤维的极限受拉承载力一定，则沿水平方向分量必定小于0°时纤维对内部混凝土的约束。当缠绕角度较小时水平方向分量相比0°时改变很小，随着纤维缠绕角度的加大，水平方向的约束力明显减少，承载力持续下降。本实验中研究纤维缠绕角度为0°、15°和30°的构件，其中纤维缠绕角度为0°时承载力最大，纤维缠绕角度为15°的构件次之，纤维缠绕角度为30°的构件最小。见图2、表4。

图2 纤维缠绕角度荷载-应变关系曲线

表4 纤维缠绕角度对极限承载力影响

3.2.2 纤维缠绕层数的影响

纤维缠绕层数在加载初期对组合构件的影响很小，当环向、轴向应变超过混凝土峰值应变后，三组构件的应变变化趋势出现差异。见图3。应变相同条件下ZⅡ-3 构件需要的力最大，ZⅡ-2 构件次之，ZⅡ-1 构件所需的力最小，这说明随着纤维缠绕层数的增加组合构件的刚度增大。变形减小，从表5中我们还可知道组合构件的轴向极限受压承载力随着纤维缠绕层数的增加而增大。

图3 纤维缠绕层数荷载-应变关系曲线

表5 纤维缠绕层数对极限承载力影响

4 结 语

通过试验可得各组构件的极限承载力，由此我们可以得出如下结论:

(1)CFRP 管中纤维层数为1～3 层时随着纤维缠绕层数的增加，CFRP 组合构件的承载力不断提高，单层纤维强度提高效率最高。

(2)CFRP 管中纤维缠绕角度为0°～30°时随着纤维缠绕角度的增加，组合构件的承载力逐渐减小，本试验中纤维缠绕角度为0°时组合构件承载力提高幅度最大。

［1]Lam，Teng J G. Design-oriented stress-strain model for FRP-confined concrete［J］. Construction and Building Material，2003，17(6/7):471 -489.

［2]Xiao Y，Wu H. Compressive behavior of concrete cylinders confined by carbon fiber composite jackets［J］.Journal of Materials In Civil Engineering，2000，118(5):139 -146.

［3]张东兴，黄龙男，王荣国，等.玻璃钢管混凝土柱力学性能的实验研究［J］.哈尔滨建筑大学学报，2000，33(1):73 -76.

［4]李杰，薛元德.FRP 管混凝土组合结构试验研究［J］. 玻璃钢/复合材料，2004(6):7 -9.

［5]鲁国昌.FRP 管约束混凝土轴压性能研究［D］. 北京:清华大学，2005.