FRP约束砼方柱轴心抗压性能试验

崔海琴，易志坚，黄 锋，谷建义

（1.华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021；2.福建省结构工程与防灾重点实验室，福建 厦门361021；3.重庆交通大学，重庆 400074）

FRP约束砼方柱轴心抗压性能试验

崔海琴1,2，易志坚3，黄 锋3，谷建义3

（1.华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021；2.福建省结构工程与防灾重点实验室，福建 厦门361021；3.重庆交通大学，重庆 400074）

为了研究FRP约束混凝土新结构的力学和延性性能，对11组33个素混凝土方柱进行了轴心抗压性能试验，其中1组对比柱，6组采用GFRP环向包裹，另外4组采用CFRP环向包裹.试验研究了FRP材料、FRP缠绕方式及加固率、对方柱轴压性能的影响.结果表明：FRP包裹的素混凝土方柱极限承载力和延性性能都有所提高；相同包裹层数、包裹方式的情况下，CFRP布包裹的方柱极限承载力和延性性能提高尤为显著；GFRP作为加固材料性价比较CFRP高.

CFRP；GFRP；约束混凝土；方柱；轴心受压；延性；极限承载力

1 引言

纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)因其轻质、高强、耐腐耐久等优越性能，被广泛应用于现有混凝土结构的加固与改造，亦可用于新建土木工程结构中. FRP约束混凝土新结构，当其受轴向压力时，由于FRP的约束，使得核心混凝土处于三向受力状态，改善了混凝土的脆性，提高了混凝土新结构的强度和延性，进而提高结构的抗震性能.

目前对FRP约束混凝土柱的研究主要集中于试验，得出一些有益的结论：这种FRP约束柱可提高原结构的承载力，根据试验数据建立了多参数的FRP约束柱的应力-应变曲线方程[1-9]，利用参数统计回归得到了FRP约束柱的强度理论模型[10-12]，对此类约束混凝土结构的设计、应用起到积极的推动作用.已有研究表明FRP可增强混凝土柱的延性，但由于约束材料、约束方式等设计参数的不同，其改善程度无法形成统一标准，而主要以研究轴心受压下FRP约束方柱的延性、韧性为目的，对FRP约束素混凝土柱的延性性能研究还不多见[13].

本文以FRP约束素混凝土方柱的轴心受压试验测试结果为基础，重点研究素轴心受压作用下CFRP约束方柱、GFRP约束方柱的承载能力和延性性能，分析FRP材料的约束效果，为后续FRP加固空心柱研究作参考.

2 试验设计

2.1 试件设计

本次试件均为素混凝土方柱体，尺寸100mm×100mm ×400mm,混凝土强度等级C30,试件共分11组,每组3个试件：S1组为对比柱；G2～G4组为GFRP全约束柱；C5～C6组为CFRP全约束柱；G7～G9组为GFRP条状约束柱；C10～C11组为CFRP条状约束柱.对所有方柱进行倒角处理，半径为10mm，如图1所示.

图1 试件模型及加固方式

2.2 试验测试方案及加载装置

试验采用1000t压力试验机分级加载，压力传感器控制每级荷载，计算机自动采集荷载、位移，电阻应变片测量应变.量测的主要内容有：轴向荷载；轴向位移；纵向平均应变；纤维布纵、横向应变；纤维角部应变；混凝土纵、横向应变.测点布置如图1所示，试验装置如图2所示.

图2 试验装置示意图

3 试验结果及分析

3.1 试验现象描述

对比柱S1发生剪切破坏，柱的中上部首先出现竖向裂缝，随着荷载的增加，裂缝经历稳定期、发展期，最终试件被压碎，完全丧失承载能力，且被分裂成多块，这种破坏形式与前人所做的大量试验一致.

全约束柱G2～G4破坏始于倒角处，GFRP被拉断(伴有脆响声)，此时核心混凝土早已被压碎；全约束柱C5～C6破坏始于单股CFRP的断裂，核心混凝土被压成粉末，竖向裂纹明显，最终试件断成两段.

条带约束柱G7～G9无约束混凝土带因侧向膨胀而外鼓，出现竖向裂缝，继而柱子拐角处GFRP因应力集中被撕裂(伴有脆响声)；当非约束带混凝土破坏严重时，拐角处的GFRP立即被拉断，整个柱子破坏.

条带约束柱C10～C11破坏形式与G7～G9试件相似，只是CFRP为单股断裂，而GFRP为条带断裂.

试验结果说明：外贴FRP对核心混凝土起约束作用，延缓方柱的破坏；全约束方柱的最终破坏为FRP的断裂；条约束方柱的最终破坏为非约束区混凝土的挤压破坏，而FRP完好.表明这种包裹方式下的FRP未能充分发挥作用.

3.2 荷载-位移曲线

各组试件的荷载-位移曲线对比情况如图5所示.

图3 FRP约束柱P-Δ曲线对比图

由图3可知，对比柱的骨架曲线只有上升段，破坏过程短，到达极限荷载后即破坏，为脆性破坏；约束柱加载至对比柱极限荷载后，骨架曲线出现拐点，且全约束柱骨架曲线呈现上升趋势，条带约束方柱出现下降趋势，下降段较对比柱长，表现出很好的延性.约束柱骨架曲线较丰满，三段式，上升段、屈服段及下降段，全约束柱骨架曲线屈服段较长.

由荷载-位移曲线可以得出，约束柱的受力全过程大致可归纳为4个阶段：弹性，弹塑性，结构屈服、FRP拉断.延性能力主要体现于在结构屈服阶段，全约束方柱屈服阶段长于条带约束方柱，验证了全约束方柱的延性性能优于条带约束柱.

3.3 承载力分析

主要试验结果汇总如表1所示.

由表1可知：条带约束柱G5～G7，极限承载力提高幅度不明显；2层CFRP条带约束柱C11极限承载力提高幅度明显，提高了14%；全约束柱C8～C9，极限承载力增长明显，2层CFRP约束柱C9提高了91%；全约束柱G2～G4，其极限承载力提高幅度介于15～25%之间，4层GFRP全约束柱的抗压能力相当于1层CFRP约束柱的抗压能力.

3.4 延性分析

根据试验现象和试件的荷载-位移曲线关系可知：FRP约束混凝土柱后，延性性能均有所提高，CFRP全约束柱，其延性性能提高尤为显著.本文参考文献[14]，根据实测的骨架曲线，用能量等效面积法计算试件的名义屈服位移Δy，极限位移Δu及延性系数μΔ，结果如表1所示.

由表1可知：约束柱其延性系数较对比柱有一定的提高，以CFRP全约束方柱尤为突出，全约束柱C9其延性系数高达6.83；条带约束柱G5～G7、C10～C11的延性系数基本相等，约为1.3；GFRP全约束柱G2～G4，其延性系数较条带约束柱提高约40%.

3.5 应力-应变曲线分析

图4 全约束柱中截面纤维应变对比

图5 条带约束柱中截面纤维应变对比

图6 条带约束柱中截面砼纵向应变对比

各组试件混凝土、FRP材料轴压荷载-应变全曲线、应变发展过程如图4～6所示.

由图4可知：全约束方柱荷载-应变曲线存在拐点，较未约束方柱曲线有明显的下降段；随着粘贴层数的增加，荷载-应变曲线的下降段趋于平缓,说明FRP约束混凝土方柱可以提高结构的延性，且随着层数的增加延性显著提高.

由图4、5可知：CFRP约束柱柱中截面横向峰值应变与GFRP约束柱几乎一致，但其横向极限应变高达15000με，约为GFRP约束柱的2倍，表现出极强的延性；条包柱柱中截面横向峰值应变最小不到3000με，只有全约束柱的0.25倍；CFRP与GFRP约束方柱随着纤维层数的增加，应变也随之增加，且全约束柱较条带约束柱增长明显.

由图6可知：混凝土荷载-应变曲线随着包裹材料、层数的不同，几乎没有变化，曲线没有下降段和拐点，与普通混凝土的应变变化规律无异.

4 结语

本文通过对11组FRP约束素混凝土方柱进行轴心受压试验，得到以下结论：

（1）FRP约束层数的增加，混凝土极限承载力较对比柱有所提高；全约束柱提高幅度大于条带约束柱.

（2）延性性能随FRP粘贴层数增加而提高，2层CFRP全约束柱，其延性系数提高幅度最大.

（3）CFRP全约束柱延性性能优于GFRP全约束柱.

（4）FRP条带约束方柱的破坏过程短，其延性系数普遍较小.

（5）采用本文所示的条带约束方案，GFRP材料基本没有发挥作用，2层CFRP条带约束方柱有一定的约束效果.

综上所述，采用CFRP全约束方柱会极大的提高承载力，且延性有显著的提高；从材料的性价比角度考虑，GFRP要优于CFRP，是一种性价比较高的加固材料；条包约束方柱理应比非约束柱性能好，鉴于试件的不充分性，有待进一步研究.

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表1 主要试验结果

TU375.3

：A

：1673-260X（2017）05-0131-03

2017-02-22

福建省自然科学基金资助项目（2013J05080）华侨大学科研基金资助项目（11BS416）