玻璃钢布约束混凝土圆柱尺寸效应的研究

詹界东 刘朝鹤 张云峰 陈思同

(东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)

玻璃钢布约束混凝土圆柱尺寸效应的研究

詹界东 刘朝鹤 张云峰 陈思同

(东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)

为研究混凝土强度对GFRP布约束混凝土圆柱尺寸效应的影响规律，用强度为C30和C40混凝土分别制作了3根GFRP布约束钢筋混凝土圆柱的试件进行试验及有限元分析，探究不同混凝土强度对轴心受压下GFRP布约束钢筋混凝土圆柱力学性能的影响规律．结果表明：混凝土强度越高，GFRP布约束钢筋混凝土柱的极限抗压强度越高，且试件尺寸越大，极限抗压强度的提高程度越大，但混凝土强度较高时，极限抗压强度提高幅度减小，试件延性变差，更容易发生脆性破坏，建议使用混凝土等级为C40．

玻璃钢(GFRP)； 尺寸效应； 混凝土强度； 极限抗压强度

在实际工程中钢筋混凝土柱体得到普遍应用，但是新的组合柱体也不断地发展．近十余年来，许多学者都投入到GFRP片材约束混凝土构件的研究工作中[1]，这种构件的组合柱体，有效地减轻结构自重，同时减慢混凝土柱子的老化．近年来，国内外的学者已经对钢筋混凝土构件的尺寸效应开展了研究[2]，但对于碳纤维布约束钢筋混凝土尺寸效应的深入研究较少[3]，也没有比较系统的理论可供参考，规程中更没给出明确的定量计算公式．所以开展对GFRP约束钢筋混凝土圆柱轴压下尺寸效应的研究对于理论研究和工程实践都具有重大意义[4-5]．

通过试验和ANSYS有限元分析，对不同混凝土强度的GFRP布约束混凝土圆柱力学性能进行研究，具体分析了不同混凝土强度的极限抗压强度以及应力-应变的影响规律[6-7]．

1 试 验

1.1 试件设计

本文考虑混凝土强度的影响，设计了3根C30混凝土强度的GFRP布约束钢筋混凝土圆柱和3根C40混凝土强度的GFRP布约束钢筋混凝土圆柱．试验总共分为2组，即C30组(M组)与C40组(N组)，每组组内试件参数满足几何相似的特点，具体试件参数见表1．

表1 试件参数

注：构件尺寸D×h;D为混凝土柱直径，h为柱高；GFRP体积配置率ρ=4n·t/D，n为GFRP布层数，t为GFRP布厚度，D为试件直径．

试验中的测点主要为应变测点和位移测点．GFRP布的应变测点布置在GFRP布外表面4等分点处，在各个测点处分别粘贴一个纵向和一个环向应变片，GFRP布约束的试件在中截面平均分布3个测点，每个测点处粘贴横向、纵向应变片，用静态应变测量仪采集混凝土的环向、轴向应变，具体布置如图1所示．

图1 测点布置示意图

1.2 加载方案

本试验为单调轴压试验，加载设备为500 t级的YAW-5000微机控制电液伺服压力试验机，荷载及试件轴向位移由试验机传感器采集．

加载前，调整试件，保证其轴心受压．全程由计算机控制施加荷载，先对试件预加极限荷载的10%，使试件与上下承压板充分接触，使其几何对中后卸载，并检查、校正位移百分表和应变测量仪，直至调整完成，开始正式加载．先以极限荷载的10%进行分级加载，每加载一级保持稳定后，记录位移及应变值，直至加载到预估极限荷载的70%，然后以极限荷载的5%分级加载，直至试件破坏，即GFRP布断裂，试验终止．

2 试验结果分析

2.1 荷载-应变曲线分析

根据试验结果分析，绘制M组和N组的荷载-应变曲线，如图2所示．图中应变为静态应变采集箱采集的各试件GFRP布和混凝土测点的环向应变、轴向应变的平均值．

图2 荷载-应变曲线

由图2可以看出：试件的荷载-应变曲线变化趋势基本一致，大致分为3个阶段，即弹性阶段、弹塑性阶段、线性强化阶段；以试件M-3为例，当荷载小于900 MPa时，试件处在弹性阶段，当荷载介于900～1 300 MPa时，试件处在弹塑性阶段，当荷载大于1 300 MPa时，试件处在线性强化阶段．在加载初期，GFRP布应变很小，增长量不大，随荷载增加呈线性变化，且轴向应变增长速度较大，说明此时GFRP布几乎没有起到约束作用，轴向压力主要由钢筋混凝土承担；当荷载接近钢筋混凝土柱的极限承载力时，曲线出现拐点，应变开始迅速增大，试件产生较大的变形，进入屈服阶段，此时柱的承载能力主要由GFRP布的侧向约束力来提供，随着荷载增加，应变急剧增大，与荷载呈线性变化，表现出很强的塑性强化特征．N组试件，与M组对比，曲线在初期斜率较大，应变增长速率较小，抵抗变形能力较强，C40试件刚度明显高于C30试件，但试件塑性阶段相对较短，延性较差，容易发生脆性破坏；试件的荷载-应变曲线变化规律较为相似，在加载初期，应变随荷载呈线性变化，应变增长速率较小，M组试件曲线的斜率大小顺序依次是M3、M2、M1，说明几何相似的GFRP布约束钢筋混凝土圆柱，尺寸越大，应变的增长速率越小，试件抵抗变形能力越强，刚度越大；当荷载加至接近于未约束试件的极限承载力时，应变急剧增加，应变随荷载增加呈曲线变化，表现出明显的双线性特征，试件M1的拐点出现相对最早，然后依次是M2、M3，试件M1的塑性阶段较长，相对变形量较大；试件达到极限承载力时，M1的轴向、环向应变最大，即试件的尺寸越大，极限应变越小．同理(d)、(e)、(f)的荷载-应变曲线变化规律与M组试件基本一致．

2.2 荷载-位移曲线分析

由图3中混凝土强度分别为C30、C40的M、N两组试件的荷载-位移曲线可知：混凝土强度越高，虽然试件的极限承载力会得到提高，但试件延性变差，使得曲线的塑性阶段相对较短，试件更容易发生脆性破坏．

图3 试件荷载-位移关系曲线

2.3 不同混凝土强度试件极限抗压强度分析

为研究混凝土强度对GFRP布约束钢筋混凝土圆柱极限抗压强度的影响，将GFRP布体积配置率为0.013、配筋率为1.2%，混凝土强度等级分别为C30、C40的M、N两组试件的极限抗压强度进行对比．试件的极限抗压强度如表2、图4所示．

表2 试件的极限抗压强度

由表2可知：试件N1、N2、N3的极限抗压强度分别为38.63 MPa、37.68 MPa、37.12 MPa，以M组试件作为参照，N组试件的极限抗压强度分别提高了19.11%、24.81%、27.50%，说明混凝土强度等级越高，试件的极限抗压强度越高，且试件尺寸越大，极限抗压强度的提高幅度越大，尺寸效应得到改善．

图4 试件极限抗压强度变化

由图4可更直观看出：混凝土强度等级为C30、C40的两组试件的极限强度随尺寸的增大而减小，且未呈线性变化；两种混凝土强度的试件极限抗压强度变化有一定的区别，随尺寸增大，混凝土强度为C40的试件极限抗压强度降低率更小，试件N3与试件N2对比，极限抗压强度几乎没有降低，说明混凝土强度等级较高时，GFRP布约束钢筋混凝土柱的尺寸效应会明显减弱．

3 有限元分析

3.1 试件设计

为研究不同混凝土强度条件下的GFRP布约束钢筋混凝土柱的尺寸效应，选取配筋率为1.2%，GFRP布体积配置率为0.069，混凝土强度分别为C30、C40、C50的A、B、C 3组试件，利用有限元软件对其进行模拟分析，得到了试件的极限抗压强度、应力应变云图及应力-应变关系曲线．

表3 模拟试件参数表

3.2 模型的建立

本文建立的有限元模型为分离式模型，不考虑材

料之间的滑移，混凝土采用solid65单元，GFRP布采用shell41单元，钢筋采用link8单元．本模型为了能够更加精确地反映研究对象的性能，采用自定义网格尺寸的映射划分法．为考虑大变形，GFRP布单元的网格划分为三角形单元．具体建立几何模型的过程如图5所示．

图5 几何模型建立

根据3组试验与A1、B2、C3模拟的结果，绘制的荷载-位移曲线对比图，如图6所示．

图6 3组荷载-位移曲线对比图

由图6可知：荷载-位移曲线与试验结果吻合情况较好，在荷载达到未约束钢筋混凝土柱的极限承载力前，模拟与试验的荷载-位移曲线基本保持一致，随荷载增加，曲线有略微的差异，但在允许范围内．综上所述，试验结果与模拟结果吻合情况良好，说明有限元模型具有可行性，可以用其进行后续GFRP布约束钢筋混凝土柱尺寸效应的研究分析．

3.3 有限元分析

不同混凝土强度的试件的极限抗压强度模拟值见表4，折线图如图7所示．

表4 试件的极限抗压强度

由表4可知：A组试件的极限抗压强度分别为29.61 MPa、27.96 MPa、27.01 MPa，B组试件的极限抗压强度分别为38.89 MPa、37.58 MPa、36.53 MPa，C组试件的极限抗压强度分别为46.09 MPa、44.85 MPa、44.29 MPa，说明几何相似的试件，随尺寸增大，极限抗压强度减小，存在尺寸效应；以A组试件的极限抗压强度作为参照，B组试件的极限抗压强度分别提高了31.34%、34.41%、35.25%，C组试件的极限抗压强度分别提高了55.66%、60.41%、63.97%，说明随着混凝土强度的增大，试件的极限抗压强度有所提高，且试件尺寸越大，极限抗压强度的提高程度越大，GFRP布约束效果越好，尺寸效应越不明显．

图7 试件极限抗压强度折线图

由图7可看出试件的极限强度随试件尺寸的增大而减小，且未呈线性变化；不同混凝土强度的试件的极限抗压强度变化有一定差异，随尺寸增大，混凝土强度为C50的试件极限抗压强度降低率更小，几乎没有降低，说明混凝土强度较高时，GFRP布约束钢筋混凝土柱的尺寸效应会明显减弱．

3.4 应力-应变曲线分析

模拟混凝土强度分别为C30、C40、C50的3组试件的轴向应力-应变曲线如图8所示．

图8 不同混凝土强度试件的应力-应变曲线

由图8可知：几何相似的GFRP布约束试件的轴向应力-应变曲线有一定差异，试件的尺寸越大，曲线斜率越大，相同应力对应的应变值越小，说明几何相似的GFRP布约束钢筋混凝土柱存在尺寸效应，尺寸越大，试件相对变形量越小，GFRP布约束效果越好且试件的极限抗压强度、极限应变随尺寸增大而减小．

4 结 论

本文对3根C30混凝土的GFRP布约束钢筋混凝土圆柱和3根C40混凝土的GFRP布约束钢筋混凝土圆柱进行了轴心受压试验分析以及9根模拟试件进行有限元分析，并对极限抗压强度和应力-应变曲线进行了分析研究，主要结论如下：1)混凝土强度越高，GFRP布约束钢筋混凝土柱的极限抗压强度越高，且试件尺寸越大，极限抗压强度的提高程度越大，但混凝土强度较高时，极限抗压强度提高幅度减小，试件延性变差，更容易发生脆性破坏，建议使用混凝土等级为C40．2)尺寸相同的试件，混凝土强度越高，极限抗压强度提高幅度差减小，试件延性变差，更容易发生脆性破坏．3)工程模拟构件，在实际应用过程中，除了要考虑比例系数对构件的线性影响，还要考虑尺寸效应对构件力学性能非线性的影响．

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[责任编辑 王康平]

Study of Size Effect of GFRP Cloth Confined Concrete

Zhan Jiedong Liu Zhaohe Zhang Yunfeng Chen Sitong

(College of Civil Engineering & Architecture， Northeast Petroleum Univ., Daqing 163318, China)

In order to study the influence of concrete strength on the size effect of concrete columns confined by the glass fiber-reinforced plastic(GFRP), three specimens of GFRP restrained reinforced concrete columns are fabricated by C30 and C40 concrete respectively. The effects of different concrete strengths on the axial effect of GFRP Cladding on the mechanical properties of reinforced concrete cylinders subjected to pressures. The results show that the ultimate compressive strength of GFRP reinforced concrete columns is higher with the increase of concrete strength; and the ultimate compressive strength increases with the increase of specimen size. But when the concrete strength is high, the ultimate compressive strength increase the rate of decrease; the ductility deterioration, more prone to brittle damage. Finally, it is suggested to use concrete grade C40.

glass fiber-reinforced plastic(GFRP)； size effect； strength of concrete； ultimate compressive strength

2016-12-21

国家自然科学基金(51308028)

詹界东(1970-)，男，教授，博士，主要从事组合结构的研究．E-mail：2995650561@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.013

TU377.9+4

A

1672-948X(2017)02-0060-05