FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究

許鵬

隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，人類必然會對建筑提出更高的要求。土木工程的變革，在很大程度上是依賴于新材料的出現(xiàn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料即是如此。近年來，建筑結(jié)構(gòu)中采用高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行加固已經(jīng)非常普遍，尤其是利用FRP（Fiber reinforced Polymer纖維增強(qiáng)聚合體）加固混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為研究與工程應(yīng)用熱點(diǎn)。FRP材料高強(qiáng)、輕質(zhì)、剛度/重量比大、耐腐蝕、施工方便快捷等優(yōu)點(diǎn)是其利用迅速發(fā)展的主要原因。FRP作為建筑材料，已被國內(nèi)外土木工程領(lǐng)域的工程師所接納。利用FRP加固混凝土就是一種新型結(jié)構(gòu)形式。

FRP約束混凝土研究綜述

在建筑工程中，鋼筋在酸性以及其他惡劣環(huán)境中容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成腐蝕，建筑物的安全性以及耐久性受到嚴(yán)重威脅，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，正是由于鋼筋存在易銹蝕的問題，科學(xué)家研究出一種新型高強(qiáng)耐腐蝕性材料（FRP材料）來代替鋼材用于建筑結(jié)構(gòu)中。目前，土木工程的研究中，對新材料FRP材料的應(yīng)用研究較為關(guān)注。美國混凝土協(xié)會成立專業(yè)委員會，對于FRP加固混凝土進(jìn)行了詳細(xì)研究，在1999年推出有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范來指導(dǎo)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。近年ACI期刊中關(guān)于纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用的文章大量出現(xiàn)，相關(guān)學(xué)術(shù)活動(dòng)也越來越多。

Mirmiran和Shahawy在1996年的時(shí)候，首先提到使用FRP管約束混凝土柱這一概念。這一新概念的提出，引起了國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，紛紛對這種組合約束構(gòu)件進(jìn)行了軸壓性能試驗(yàn)研究。Mirmiran和Shahawy將24個(gè)FRP管約束混凝土構(gòu)件與6個(gè)未約束混凝土構(gòu)件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)比較，來討論FRP管厚度以及混凝土強(qiáng)度等級的變化對混凝土軸壓性能的影響。與未約束混凝土構(gòu)件相比，用FRP管約束混凝土可以大幅度提高混凝土的變形能力以及承載力。在這次試驗(yàn)之后，Mirmiran進(jìn)行了30個(gè)152.5mm×305mm圓柱體和12個(gè)152.5mm×152.5mm×305mm棱柱體的軸壓試驗(yàn)，以分析纖維和樹脂類型、混凝土強(qiáng)度等級、纖維纏繞角度、長細(xì)比以及截面形式等參數(shù)來更進(jìn)一步的研究FRP管約束混凝土柱的受壓性能。試驗(yàn)研究表明，用FRP管來約束圓形截面約束效果比約束方形截面好很多，但是長細(xì)比變化對于試件延性以及強(qiáng)度的影響并不明顯。

魯國昌等對7個(gè)FRP管約束混凝土圓柱以及3個(gè)素混凝土柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)包含纖維纏繞角度、纖維類型以及加載方式。試件尺寸是200mm×600mm。試驗(yàn)研究表明加載方式對于試件軸壓性能的影響不明顯，雙向受力FRP管并不是一種不利受力狀態(tài)。

Zhu等對6根FRP管約束混凝土圓柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，研究尺寸效應(yīng)、內(nèi)部約束以及加載方式對于試件軸壓性能影響。6根試件分為兩組，一組核心混凝土受力，另一組全截面受力，每組試件各有一個(gè)FRP管約束FRP筋混凝土柱、一個(gè)FRP管約束鋼筋混凝土柱、一個(gè)FRP管約束混凝土柱，試件尺寸都為322.1mm×914mm。研究表明，F(xiàn)RP管約束混凝土柱的局部破裂導(dǎo)致構(gòu)件破壞，與其對比的構(gòu)件是由于能量釋放產(chǎn)生的爆炸引起構(gòu)件整體失效，而構(gòu)件尺寸大小不同對FRP管約束混凝土柱軸壓性能的影響比較小。

Sheikh等對17個(gè)356mm×1524mm圓柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，構(gòu)件直徑為356mm，長度為1524mm，研究GFRP管厚度、配箍率、配筋率以及纖維纏繞角度對圓柱軸壓性能的影響。研究表明：GFRP管約束混凝土能夠提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性，而且便于施工，具有明顯的抗腐蝕能力，當(dāng)FRP沿柱縱向纏繞纖維時(shí)，雖然在一定程度上能夠提高試件抗壓強(qiáng)度，但降低了試件延性。

肖巖等對9種類型共計(jì)72根碳纖維套箍約束混凝土圓柱試件進(jìn)行了單軸受壓試驗(yàn)，試驗(yàn)中試件直徑為150mm、高為300mm，試驗(yàn)參數(shù)包括：混凝土強(qiáng)度、材料類型以及套箍厚度，研究表明：碳纖維套箍有效提高了混凝土強(qiáng)度以及延性，約束混凝土特點(diǎn)主要受約束模量的影響，并且提出了一個(gè)經(jīng)改進(jìn)的高強(qiáng)組合材料約束混凝土的本構(gòu)模型，對模型參數(shù)也進(jìn)行了分析。

國內(nèi)外關(guān)于FRP單獨(dú)約束混凝土或約束鋼筋混凝土的研究較多，但是FRP和其他材料共同約束混凝土軸壓性能的研究則非常少，這種新型組合結(jié)構(gòu)研究最多的就是FRP與鋼管的組合。到目前為止，有以下研究成果：

Xiao等通過對13個(gè)圓形試件進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，試件核心混凝土尺寸都為152mm×305mm，研究CFRP層數(shù)以及CFRP與鋼管間連接對軸壓性能的影響，鋼管與CFRP之間的連接不同主要在于鋼管與CFRP之間是否存在橡膠填充。13個(gè)試件中包含有：8個(gè)FRP約束鋼管混凝土，F(xiàn)RP層數(shù)分別是2層和4層，鋼管厚度都為2.95mm，1個(gè)空鋼管，1個(gè)鋼管混凝土以及3個(gè)素混凝土。試驗(yàn)表明，F(xiàn)RP約束鋼管混凝土無論是強(qiáng)度還是變形都比鋼管混凝土有顯著地提高。CFRP層數(shù)增加，CFRP約束鋼管混凝土的強(qiáng)度也隨之增大，帶間隙試件在強(qiáng)度方面會有所降低，而延性的提高卻較為顯著，用橡膠填充間隙則可以提高試件的變形能力。

顧威通過對新型構(gòu)件（CFRP約束鋼管混凝土）的受力性能進(jìn)行理論分析以及對12根圓柱試件（包括8根CFRP約束鋼管混凝土軸壓短柱以及4根鋼管混凝土短柱）進(jìn)行軸壓試驗(yàn)研究，提出了此類新型構(gòu)件的承載力計(jì)算基本假定，并考察了鋼管厚度和CFRP層數(shù)對FRP約束鋼管混凝土柱軸壓性能的影響。核心混凝土尺寸為124mm×400mm，F(xiàn)RP層數(shù)分別為1層、2層，試件的鋼管厚度分別為：1.5mm、2.5mm、3.5mm和4.5mm。試驗(yàn)表明：CFRP提高了鋼管混凝土的初始剛度，并隨著FRP層數(shù)的增加，試件抗壓強(qiáng)度也隨著增加。試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)公式的準(zhǔn)確性。

Tao等對9根試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)研究，包括6根CFRP約束鋼管混凝土柱以及3根鋼管混凝土柱，試驗(yàn)參數(shù)為CFRP層數(shù)、截面尺寸等。試件總共分為兩組：第一組鋼管厚度為3mm，截面尺寸分別為156mm×470mm和250mm×750mm的圓柱，第二組鋼管厚度則為3.2mm，截面尺寸為100mm×150mm×450mm的矩形柱。其中CFRP層數(shù)均為0層到2層變化，研究表明：CFRP對方柱的約束效果弱于圓柱，隨著CFRP層數(shù)的增加，圓柱的延性也隨之增大，而矩形柱卻與之相反，由試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，CFRP約束鋼管混凝土具有更高殘余強(qiáng)度。

各國學(xué)者以及土木工程師對在建筑工程應(yīng)用FRP約束混凝土進(jìn)行了大量實(shí)踐探索以及試驗(yàn)研究。然而，F(xiàn)RP作為建筑材料具有明顯的脆性。FRP加固混凝土這一種新型結(jié)構(gòu)形式需要解決延性差的問題。鋼絲網(wǎng)砂漿約束混凝土具有延性好但約束效果差的特點(diǎn)，而且鋼絲網(wǎng)用來約束混凝土?xí)r，混凝土在破壞時(shí)表面裂縫寬度減少，細(xì)小裂縫數(shù)量會有所增加，破壞時(shí)整體較好。由于加入鋼絲網(wǎng)約束混凝土整體性較好，將使得在構(gòu)件受壓的過程中，混凝土表面裂縫寬度減小，整體性好，從而FRP受力更加均勻，變形也更充分，從而對約束混凝土的強(qiáng)度以及變形能力都會有所提高。基于FRP和鋼絲網(wǎng)砂漿約束混凝土各自的優(yōu)缺點(diǎn)，利用FRP和鋼絲網(wǎng)共同約束混凝土。FRP約束混凝土在軸心壓力作用下破壞呈脆性，而鋼絲網(wǎng)砂漿約束混凝土在軸心受壓破壞時(shí)表現(xiàn)出較好的延性。FRP與鋼絲網(wǎng)共同約束混凝土受壓性能是一個(gè)值得研究的方向。