碳纖維約束混凝土圓柱本構(gòu)關(guān)系參數(shù)確定方法研究

胡忠君，潘景龍

(1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

碳纖維約束混凝土圓柱本構(gòu)關(guān)系參數(shù)確定方法研究

胡忠君1，潘景龍2

(1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

通過收集和分析國內(nèi)外大量圓形截面碳纖維約束混凝土試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同文獻(xiàn)在碳纖維約束混凝土試件破壞時(shí)的實(shí)測(cè)拉斷應(yīng)變存在較大的系統(tǒng)偏差，從而導(dǎo)致由約束強(qiáng)度fl來確定其強(qiáng)度和應(yīng)力—應(yīng)變表達(dá)式中的有關(guān)參數(shù)取值不具有通用性。認(rèn)為，碳纖維對(duì)試件的約束剛度Cj和混凝土特性決定了應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形式，而碳纖維拉斷應(yīng)變僅決定了曲線的終點(diǎn)。

碳纖維約束混凝土 應(yīng)力—應(yīng)變曲線 約束剛度 約束強(qiáng)度

1 回顧與認(rèn)識(shí)

已有碳纖維約束混凝土的強(qiáng)度和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式大多建立在核心混凝土強(qiáng)度 fc′和約束強(qiáng)度 fl為主要依據(jù)的基礎(chǔ)上，這可能是沿用了混凝土多軸受力或鋼管混凝土或螺旋配筋柱的研究手法。這里的約束強(qiáng)度fl被定義為式中，ff、Ef、εfu分別為碳纖維受拉試件測(cè)得的碳纖維強(qiáng)度、彈性模量和極限拉應(yīng)變;t為外包碳纖維的厚度;R為圓形試件的半徑。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，碳纖維約束混凝土試件破壞時(shí)的環(huán)向應(yīng)變遠(yuǎn)低于碳纖維受拉試件的極限拉應(yīng)變，因此，不宜用式(1)的公稱值，而應(yīng)取用按碳纖維約束混凝土試件破壞時(shí)的環(huán)向拉應(yīng)變平均值計(jì)算得的有效約束強(qiáng)度 fl．a(chǎn)。

本文在收集和分析了大量碳纖維約束混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，即使采用同一品種的纖維纏繞的碳纖維約束混凝土圓柱形試件，軸壓破壞時(shí)的碳纖維拉斷應(yīng)變實(shí)測(cè)值不僅一般低于碳纖維受拉試件的極限拉應(yīng)變，更重要的是各學(xué)者間存在較為明顯的系統(tǒng)偏差，因而導(dǎo)致各自建立在上述參數(shù)基礎(chǔ)的強(qiáng)度和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式不具有通用性。表1列出了文獻(xiàn)[1-3]的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，它們均用彈性模量大致為200～240 GPa的碳纖維布制成的碳纖維約束混凝土，但三者的環(huán)向拉斷應(yīng)變平均值 εru．m相差甚大，與碳纖維受拉試件的極限拉應(yīng)變?chǔ)舊u的比值亦不相同。數(shù)理統(tǒng)計(jì)可證實(shí)，即使以0.001的信度判別，其差別亦是顯著的。因此，不能單一地理解為一般的離散性結(jié)果。

表1 碳纖維拉斷應(yīng)變統(tǒng)計(jì)

若文獻(xiàn)[1-3]各以式(1)為變量來回歸碳纖維約束混凝土強(qiáng)度fcc′，必然存在較大差異而不能共用。例如，采用文獻(xiàn)[4-6]等最常用的強(qiáng)度表達(dá)式

式中，k為約束效應(yīng)系數(shù)，經(jīng)回歸文獻(xiàn)[1-3]分別為2.25，3.20，1.48?？陀^存在的這種系統(tǒng)偏差，依靠收集百家數(shù)據(jù)予以統(tǒng)一，并非萬全之策。作者認(rèn)為，宜將碳纖維約束混凝土破壞時(shí)的碳纖維拉斷應(yīng)變 εru亦作變量，引入表達(dá)式中，并分門類別地統(tǒng)計(jì) εru的取值。至于各學(xué)者實(shí)測(cè)εru間存在系統(tǒng)偏差的原因，目前尚不清楚。一個(gè)不容忽略的因素是碳纖維材料的線彈性性質(zhì)，決定了它不具備應(yīng)力重分布的可能，因此，它對(duì)粘結(jié)劑品種、纏繞工藝、混凝土表面質(zhì)量、裂縫等因素較為敏感。

對(duì)混凝土強(qiáng)度為fc′纏繞碳纖維的約束混凝土，隨纏繞纖維量的不同，可表現(xiàn)出兩種不同的性質(zhì)。纖維量較少時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線存在下降段，破壞特征是外包碳纖維的拉斷發(fā)生在峰值應(yīng)力之后;纖維量超過一定數(shù)量后，全過程曲線不存在下降段，破壞特征是外包碳纖維拉斷恰好為約束混凝土達(dá)到強(qiáng)度極限，或者說碳纖維拉斷決定了約束混凝土的強(qiáng)度。它是本文所要研討的內(nèi)容。

圓形截面碳纖維約束混凝土試件受載過程中每一瞬間的約束應(yīng)力σl可由下式計(jì)算

式中，Cj為約束剛度，其物理含義是FRP單位應(yīng)變產(chǎn)生的約束應(yīng)力;εr為試件的環(huán)向應(yīng)變。若把碳纖維對(duì)核心混凝土的約束應(yīng)力看作一種外載，σc—εr曲線實(shí)質(zhì)上可理解為以內(nèi)力形式表示出的核心混凝土受到的豎向荷載和側(cè)向約束荷載的加載歷程曲線，側(cè)向約束荷載σ(均布?jí)毫?即按式(3)計(jì)算。由式(3)可見，側(cè)向約束荷載的變化過程僅取決于碳纖維的約束剛度Cj和環(huán)向應(yīng)變 εr，εr也僅取決于外包纖維的剛度 Cj和核心混凝土的側(cè)向膨脹特性，而碳纖維拉斷應(yīng)變?chǔ)舝u決定了側(cè)向約束荷載的最大值，表示加載過程的結(jié)束。由此我們可以獲得一個(gè)重要啟示，即碳纖維強(qiáng)約束混凝土的σc—εr曲線形式取決于約束剛度 Cj和核心混凝土特性，碳纖維的拉斷應(yīng)變?chǔ)舝u僅決定該曲線的終點(diǎn)。核芯混凝土的變形除自身的力學(xué)性能外，主要取決于荷載條件，因此，碳纖維強(qiáng)約束混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變(σc—εc)曲線形狀也僅取決于約束剛度 Cj和核心混凝土特性，而 FRP的拉斷應(yīng)變 εru決定該曲線的終點(diǎn)。至于核心混凝土特性用何種力學(xué)指標(biāo)來反應(yīng)，目前用得較多的是混凝土強(qiáng)度 fc′。這里所謂的曲線形狀實(shí)際上是這些曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式和相關(guān)參數(shù)的取值。由此可見，它們應(yīng)由約束剛度Cj和混凝土特性如fc′決定，與環(huán)向拉斷應(yīng)變 εru無關(guān)，它僅決定了曲線的終點(diǎn)。事實(shí)上，用任何材料作約束元件的約束混凝土其應(yīng)力—應(yīng)變曲線均有上述特點(diǎn)，只要其最終強(qiáng)度是由約束元件作用喪失所控制，碳纖維材料的彈性性質(zhì)，其約束剛度Cj在試件整個(gè)受載過程中保持恒定。

2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線的表達(dá)式及參數(shù)確定

碳纖維材料的線彈性性質(zhì)，導(dǎo)致碳纖維強(qiáng)約束混凝土無論其縱向還是環(huán)向應(yīng)變與縱向壓應(yīng)力呈近似的雙線性關(guān)系?，F(xiàn)在已有許多學(xué)者提出了各自不同的表達(dá)式來描述這一應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。對(duì)此，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]作了全面的評(píng)述。這些應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式大體分兩類，一是分段表達(dá)式，用一個(gè)二次拋物線方程[4]或 Saenz方程[3]來表示該全過程曲線的第一、二段，第三段則用嚴(yán)格的直線方程表達(dá)。目前用的最廣的是1975年Richard和Abbort的四參數(shù)方程，如文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[3]，盡管該方程在第三階段并非完全是直線，但它自動(dòng)地體現(xiàn)了應(yīng)力—應(yīng)變曲線的連續(xù)過程。作者認(rèn)為，若僅需要表達(dá)碳纖維強(qiáng)約束混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線，它是一個(gè)很好的形式，該方程形式為

由式(5)可見，需要確定的參數(shù)首先是強(qiáng)化段近似直線在縱坐標(biāo)σc軸上的截距f0。按文獻(xiàn)[4]收集的數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)結(jié)果整理而成的約束剛度比βj=Cj/fc′與截距f0的關(guān)系，可見其相關(guān)性較差，特別是約束剛度比 βj＜50的區(qū)段，截距 f0在(0.8 ～ 1.2)fc′范圍內(nèi)波動(dòng)，βj≥50 后，截距 f0存在隨βj增大而增大的趨勢(shì)，因此，建議按式(6)計(jì)算截距。

與此相關(guān)聯(lián)的是碳纖維強(qiáng)、弱約束混凝土定義。盡管弱約束混凝土的全過程曲線存在下降段，但其峰值應(yīng)力仍比核芯混凝土強(qiáng)度fc′高。因此，若將E2=0的約束混凝土也包含在強(qiáng)約束范圍內(nèi)，則第三段直線在縱軸上的截距將為約束混凝土強(qiáng)度fcc′。它將與E2＞0的截距取值式(6)嚴(yán)重不符，因此，將弱約束的上限定為E2=0能更確切地限定式(5)的運(yùn)用范圍。至于強(qiáng)、弱約束的界定方法，文獻(xiàn)[1-3]提出了不同判別指標(biāo)。作者認(rèn)為，可用約束剛度比 βj=Cj/fc′來衡量。經(jīng)對(duì)上述文獻(xiàn)提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，βj≥8可有較大把握判斷E2＞0。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，有效約束比≥0.07后，可認(rèn)為是有足夠約束的混凝土，碳纖維強(qiáng)約束混凝土的碳纖維環(huán)向拉斷應(yīng)變統(tǒng)計(jì)平均值為0.009，則βj為7.8。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為，Cj/fc′2≥0.2，應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有上升段，若核心混凝土強(qiáng)度 fc′為 10～50 MPa，則 βj為 2～10。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，βj≥4.79，曲線具有上升段，可見本文取值是偏嚴(yán)的。事實(shí)上，判別指標(biāo)不同、取值不同的原因是至今人們對(duì)存在強(qiáng)、弱約束兩狀態(tài)尚未能從理論上予以認(rèn)識(shí)。其次，核心混凝土的膨脹特性用其強(qiáng)度fc′體現(xiàn)并非是最佳選擇，簡單地回歸擬合并不能完全反映事物的本質(zhì)。

碳纖維強(qiáng)約束混凝土第二斜率E2的確定根據(jù)文獻(xiàn)[4]收集數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)[2-3]數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，得如下關(guān)系(圖1)

圖1 ln(E2/fc′)—ln(βj-8)曲線

碳纖維強(qiáng)約束混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線的終點(diǎn)，實(shí)際上是由碳纖維強(qiáng)約束混凝土的強(qiáng)度fcc′或極限應(yīng)變?chǔ)與u確定。本文收集了符合強(qiáng)約束條件，且能清晰提供FRP材料力學(xué)性能、混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度和縱向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線的44個(gè)試件數(shù)據(jù)[2-3]，這些試件的直徑為150 mm，高徑比2～3，混凝土強(qiáng)度19.40～55.65 MPa，采用 CFRP及 AFRP并沿試件滿包方式。對(duì)其縱向應(yīng)力超過fc′后的應(yīng)力 σc與環(huán)向約束應(yīng)力Cjεr進(jìn)行回歸分析(見圖2)獲如下相關(guān)關(guān)系

圖2 σz/fc′—βjεr曲線

其相關(guān)系數(shù)R=0.968，表明其相關(guān)性是顯著的。該式的優(yōu)點(diǎn)是能較正確地估計(jì)碳纖維達(dá)到規(guī)定允許拉應(yīng)變時(shí)約束混凝土的實(shí)際壓應(yīng)力。顯然，當(dāng)試件環(huán)向應(yīng)變達(dá)到εru時(shí)，碳纖維強(qiáng)約束混凝土達(dá)到其極限強(qiáng)度

(9)式和(10)式中的系數(shù)3.979即為約束效應(yīng)系數(shù)。根據(jù)物理關(guān)系碳纖維強(qiáng)約束混凝土的極限應(yīng)變?chǔ)與u由(11)式?jīng)Q定

圖3為按上述方法曲線形狀系數(shù)n取1.5預(yù)測(cè)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，與文獻(xiàn)[2-3]提供的實(shí)測(cè)曲線比較，可見吻合較好。

由上可見，只需已知核心混凝土強(qiáng)度fc′和碳纖維約束剛度Cj或約束剛度比βj，利用本文建立的各相關(guān)關(guān)系，即可按式(5)預(yù)測(cè)碳纖維強(qiáng)約束混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，若需預(yù)測(cè)極限強(qiáng)度fcc′和極限應(yīng)變 εcu，尚需要估計(jì)碳纖維拉斷應(yīng)變?chǔ)舝u，與現(xiàn)有的應(yīng)力—應(yīng)變曲線方程確定參數(shù)的方法相比，避免了需首先確定強(qiáng)度fcc′和極限應(yīng)變 εcu而帶來的誤差積累，導(dǎo)致應(yīng)力—應(yīng)變曲線失真加大。

圖3 試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比

3 結(jié)語

碳纖維材料的線彈性性質(zhì)，喪失了具有應(yīng)力重分布的能力，導(dǎo)致碳纖維強(qiáng)約束混凝土試驗(yàn)件受載破壞時(shí)的環(huán)向平均應(yīng)變低于碳纖維受拉試件的極限應(yīng)變，且不同工況下存在較大的系統(tǒng)偏差。因此，沿用混凝土多軸受力或鋼筋混凝土或螺旋配筋柱研究中通常采用約束強(qiáng)度(常規(guī)三軸試驗(yàn)中的側(cè)向壓應(yīng)力σ2)或約束比 fl/fc′為變量來確定極限強(qiáng)度 fcc′、極限應(yīng)變 εcu和應(yīng)力—應(yīng)變方程中的有關(guān)參數(shù)的取值，必然存在較大的變異性而通用性不強(qiáng)。本文作者基于對(duì)碳纖維強(qiáng)約束混凝土受載過程的認(rèn)識(shí)，試用核芯混凝土強(qiáng)度fc′和碳纖維約束剛度Cj或約束剛度比βj為主要變量來確定應(yīng)力—應(yīng)變方程中的主要參數(shù)的取值，并根據(jù)碳纖維約束混凝土試件碳纖維拉斷應(yīng)變?chǔ)舝u來確定極限強(qiáng)度fcc′和極限應(yīng)變 εcu的方法，有望所獲結(jié)果能具有更好的通用性。

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TU528.582

A

1003-1995(2010)04-0098-03

2009-11-16;

2010-01-12

胡忠君(1978— )，男，吉林敦化人，講師，博士研究生。

(責(zé)任審編 白敏華)