大尺寸CFRP約束混凝土方柱的軸心抗壓試驗(yàn)研究*

單　波, 蔡　靜,肖　巖, Giorgio Monti,2

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙　410082；2.羅馬第一大學(xué)，意大利 羅馬　00917)

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大尺寸CFRP約束混凝土方柱的軸心抗壓試驗(yàn)研究*

單波1?, 蔡靜1,肖巖1, Giorgio Monti1,2

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082；2.羅馬第一大學(xué)，意大利 羅馬00917)

摘要：試件的尺寸對(duì)于碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)約束混凝土柱的性能具有重要影響，但目前在CFRP約束混凝土尺寸效應(yīng)方面的研究基本上還處于空白.基于對(duì)7種不同倒角半徑的大尺寸CFRP約束混凝土方柱的軸心抗壓試驗(yàn)，獲取了各組試件的破壞模式、抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、外包CFRP應(yīng)變分布等基本力學(xué)性能，并與已有小尺寸試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和分析.研究結(jié)果表明,試件的抗壓強(qiáng)度隨倒角半徑比的增大而增大，外包CFRP對(duì)直角試件幾乎無(wú)增強(qiáng)作用；所有試件的破壞都是由外包CFRP的拉斷所導(dǎo)致，斷裂位置均位于倒角范圍內(nèi)，應(yīng)力集中的現(xiàn)象明顯；約束效應(yīng)比MCR可以較好地反映尺寸效應(yīng)對(duì)抗壓強(qiáng)度影響，試件尺寸的增大顯著降低CFRP的約束效應(yīng)；外包CFRP的極限應(yīng)變低于其材性試驗(yàn)結(jié)果35%以上，明顯大于對(duì)應(yīng)的小試件試驗(yàn)結(jié)果；已有模型的計(jì)算結(jié)果與本試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果存在顯著差異，故有必要考慮尺寸效應(yīng)的影響.

關(guān)鍵詞：FRP；約束混凝土；方柱；軸心受壓；尺寸效應(yīng)

纖維增強(qiáng)塑料 (FRP)具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和施工簡(jiǎn)便等特性，在土木工程領(lǐng)域，特別是混凝土結(jié)構(gòu)加固及改造方面得到廣泛應(yīng)用.采用FRP外包混凝土柱，可以形成約束混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)混凝土柱軸向受壓時(shí)產(chǎn)生其側(cè)向膨脹，約束材料FRP受拉對(duì)核心區(qū)混凝土產(chǎn)生約束應(yīng)力，使其處于三向受壓狀態(tài)，從而顯著提高混凝土柱的變形能力和承載能力[1].

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于FRP約束混凝土開(kāi)展了大量研究，取得了不少的研究成果，部分學(xué)者還提出了約束本構(gòu)模型及設(shè)計(jì)方法[2].但總的看來(lái)，現(xiàn)有研究主要集中在FRP約束混凝土圓柱方面，而在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，方形或矩形柱更為普遍.因此，對(duì)FRP約束方形及矩形截面柱進(jìn)行研究很有必要，但這個(gè)問(wèn)題更為復(fù)雜，因?yàn)镕RP約束作用于方形及矩形截面柱所產(chǎn)生的圍壓是非均勻的，約束效應(yīng)的影響因素更多[3].

在國(guó)際上，Mirmiran等[4]是最早對(duì)FRP約束矩形截面柱進(jìn)行試驗(yàn)研究的研究者之一，其研究表明，倒角半徑是影響FRP約束效應(yīng)的一個(gè)主要因素，倒角半徑過(guò)小，約束效應(yīng)難以體現(xiàn).Lam等[5-6]對(duì)小尺寸外包FRP矩形(方形)柱進(jìn)行了試驗(yàn)，研究表明，F(xiàn)RP約束能有效提高混凝柱的抗壓強(qiáng)度和延性，并在分析了既有試驗(yàn)數(shù)據(jù)后提出相應(yīng)的本構(gòu)模型和強(qiáng)度模型.Wang和Wu[7]對(duì)72個(gè)混凝土小尺寸試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，得出試件的抗壓強(qiáng)度與倒角半徑比2r/b近似呈線性關(guān)系，也提出了相應(yīng)的本構(gòu)模型和強(qiáng)度模型.吳剛等[8-9]在既有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給出判斷FRP約束方柱強(qiáng)、弱約束的界限值，提出二次拋物線加直線的應(yīng)力-應(yīng)變模型.國(guó)內(nèi)其他學(xué)者在此領(lǐng)域也開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[8-12].

目前，關(guān)于FRP約束方形(或矩形)柱的試驗(yàn)絕大部分以小試件為主[4-7,13]，試件邊長(zhǎng)不超過(guò)250 mm，高度不超過(guò)600 mm，與實(shí)際結(jié)構(gòu)柱尺寸相距甚遠(yuǎn).Pessiki等[14]的研究表明，此類小試件的試驗(yàn)研究結(jié)果相比于實(shí)際加固柱，存在較大誤差.Rocca[15]測(cè)試了截面尺寸分別為324 mm，457 mm，648 mm和914 mm的方形試件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小試件和大試件在軸向力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有很大不同.Wang等[16]測(cè)試了大尺寸FRP約束鋼筋混凝土方柱，結(jié)果顯示CFRP約束增加了混凝土柱的變形性能，但其承載能力的提高相對(duì)有限.從已有研究成果來(lái)看，試件的尺寸對(duì)FRP約束混凝土方形柱有顯著影響，但這方面的試驗(yàn)開(kāi)展得很少，也不系統(tǒng).本文針對(duì)這一研究的盲區(qū)，設(shè)計(jì)了一系列不同倒角半徑的大尺寸CFRP約束混凝土方柱，進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)研究，以期填補(bǔ)研究空白，為后續(xù)的CFRP加固方柱設(shè)計(jì)提供參考.

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試件設(shè)計(jì)和材料特性

文獻(xiàn)[7]中進(jìn)行了CFRP約束混凝土方柱的試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)方形試件截面尺寸為150 mm×150 mm，高度為300 mm，倒角半徑依次變化6次，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30和C50.本文參考了該試驗(yàn)，使本試驗(yàn)的研究成果能夠較為準(zhǔn)確地反映試件尺寸的影響.本試驗(yàn)按照不同的倒角半徑r依據(jù)相似比例尺設(shè)計(jì)了7組CFRP加固大尺寸試件，標(biāo)準(zhǔn)試件的截面尺寸為300 mm×300 mm，高度為600 mm，每組均有3個(gè)試件.倒角半徑r依次變化：0，15，30，60，90，120和150 mm，其中，r=0和r=150 mm分別代表方柱和圓柱.每組加固試件都制作了一組與之對(duì)應(yīng)的素混凝土試件.一共制作了14組試件，共計(jì)42個(gè).需要說(shuō)明的是，雖然本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試件與實(shí)際結(jié)構(gòu)柱仍然有較大的尺寸差異，但與文獻(xiàn)[7]以及大量其他研究者所進(jìn)行的FRP約束試件相比較，在尺寸上顯著增大，因此，本文稱之為“大尺寸試件”是合適的.混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，具體配比為：水泥∶砂∶石∶水=1∶1.90∶3.10∶0.56，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d,立方體抗壓強(qiáng)度為33.6 MPa.試驗(yàn)用的單向碳纖維布為南京生產(chǎn)，型號(hào)為HITEX-C300，名義厚度為0.167 mm.配套環(huán)氧樹(shù)脂為長(zhǎng)沙生產(chǎn)的碳纖維加固專用浸漬樹(shù)脂.按照GB/T 3354-1999《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》制作了CFRP小試件.單向抗拉試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1　CFRP材性試驗(yàn)結(jié)果

1.2試件制作

試件采用定制的鋼模澆筑，每種規(guī)格的鋼模3個(gè)，一共21個(gè)試模.澆筑時(shí)，混凝土分3層澆搗，每層混凝土約為試件高度的1/3，采用插入式振搗器分層振搗，振動(dòng)至混凝土表面不出現(xiàn)明顯的氣泡.試件分兩批澆筑，一批為對(duì)比試件，另一批為加固試件.試件完成澆筑后，在室溫下放置48 h，拆模后在室內(nèi)放置30 d，再進(jìn)行外包CFRP.

加固前，先清除試件表面雜物，在干燥狀態(tài)下涂刷底膠，然后再分層外包碳纖維布，每層搭接長(zhǎng)度為100 mm，在包裹下一層碳纖維布前，用專用的刮子沿纖維方向反復(fù)擠壓，以排除氣泡并使樹(shù)脂更好地浸潤(rùn)碳纖維絲.所有加固試件均外包3層CFRP.試件完成加固后，在室內(nèi)放置14 d，然后進(jìn)行抗壓試驗(yàn).

1.3試驗(yàn)裝置和加載制度

本試驗(yàn)進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，現(xiàn)有試驗(yàn)表明，F(xiàn)RP增強(qiáng)層的應(yīng)變分布不均勻，在角部附近會(huì)產(chǎn)生較為顯著的應(yīng)力集中.因此，本試驗(yàn)在試件的中間截面處粘貼一定數(shù)量的應(yīng)變片，具體位置為：對(duì)于方柱(r=0)，橫向應(yīng)變片粘貼在角部的最邊緣和每條邊的中點(diǎn)(b/2處)，共12個(gè)，縱向應(yīng)變片粘貼在b/2處，共4個(gè)；對(duì)于圓柱(r=150 mm)，橫向和縱向應(yīng)變片均粘貼在圓周的4等分點(diǎn)處，共8個(gè)；對(duì)于其他截面形式，橫向應(yīng)變片粘貼在倒角的中點(diǎn)、倒角的起始部位(切線處)和每條邊的中點(diǎn)(b/2處)，共16個(gè)，縱向粘貼在b/2處，共4個(gè).每種截面應(yīng)變片的粘貼情況如圖1所示，圖中，M表示邊長(zhǎng)中點(diǎn)處(b/2處)，C表示倒角中點(diǎn)處，T表示倒角的起始部位(切點(diǎn)處).

加載設(shè)備為1 000 t電液伺服控制的壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)時(shí)，在試件中部位置安裝軸向變形測(cè)試架，試驗(yàn)架卡在試件上，并對(duì)稱安裝兩個(gè)高精度的位移計(jì)，位移計(jì)可以沿導(dǎo)軌在軸向自由滑動(dòng)，如圖2所示.荷載由壓力機(jī)內(nèi)置傳感器測(cè)量，所有數(shù)據(jù)均采用DH3821數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集和記錄.

圖1　CFRP表面應(yīng)變片分布示意圖

測(cè)試時(shí)，先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓荷載不超過(guò)預(yù)估極限荷載的30%，通過(guò)4個(gè)軸向應(yīng)變片檢查試件的對(duì)中情況，如最大應(yīng)變讀數(shù)與最小應(yīng)變讀數(shù)不超過(guò)10%，即認(rèn)為試件處于理想的軸心受壓狀態(tài)，隨即卸載，并開(kāi)始正式加載.在試驗(yàn)的開(kāi)始階段，采用力控制加載模式，加載速度為3 kN/s.當(dāng)加載至預(yù)估極限承載力的90%時(shí)，采用位移控制加載，加載速度為0.01 mm/min，直至試件破壞.

圖2　測(cè)量設(shè)備布置圖

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1破壞現(xiàn)象及破壞模式

7組CFRP約束混凝土方柱試件的破壞部位均位于試件中部約30～40 cm高度，最終破壞模式都是外包CFRP增強(qiáng)層被拉斷，并且試件發(fā)生破壞前會(huì)連續(xù)發(fā)出“噼啪”的聲音，最終在破壞位置3層CFRP增強(qiáng)層突然斷裂，并伴隨著很大的聲響，核心區(qū)混凝土壓潰飛濺.破壞的突然性及破壞程度隨著倒角半徑的增大而增大.

圖3　CFRP約束混凝土柱破壞模式

對(duì)于小倒角半徑試件(r≤30 mm)，CFRP增強(qiáng)層的斷裂口基本上集中在一處，破壞位置均在倒角圓弧的中點(diǎn)處附近，斷口比較整齊，如圖3(a)-圖3(c)所示.當(dāng)?shù)菇前霃捷^大時(shí)(r≥60 mm)，CFRP增強(qiáng)層的斷裂位置出現(xiàn)一定的離散性，拉斷部位主要發(fā)生在倒角中心附近或倒角起始部位，或這兩個(gè)部位均出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，且試件不止一處發(fā)生破壞，斷口纖維布呈多條狀，如圖3(d)-圖3(g)所示.試驗(yàn)中，檢查所有試件的外包CFRP，均沒(méi)有觀察到明顯的剝離和搭接破壞現(xiàn)象，因此，可認(rèn)為對(duì)于此類試件，CFRP取100 mm搭接長(zhǎng)度是合理可靠的.

對(duì)比文獻(xiàn)[7]中的試驗(yàn)，如前所述，其試件邊長(zhǎng)為150 mm，高度為300 mm，CFRP的搭接長(zhǎng)度為150 mm.試驗(yàn)中r較大的試件，CFRP出現(xiàn)了搭接破壞，或?yàn)閯冸x與拉斷的混合破壞.這表明，CFRP約束混凝土所需的搭接長(zhǎng)度與試件的尺寸大小不存在必然的相關(guān)性.此外，在該試驗(yàn)中，當(dāng)r較大時(shí)， CFRP的斷裂位置出現(xiàn)在倒角范圍以外的側(cè)面(即CFRP的平直段)，與本試驗(yàn)有一定差異.

2.2應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2給出了各組試件強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，表中fco′為每組無(wú)約束混凝土柱的抗壓強(qiáng)度平均值，fcc′為每組約束混凝土柱的抗壓強(qiáng)度.由表2可知，隨著倒角半徑r的增加，試件的抗壓強(qiáng)度不斷提高.圖4給出了各組試件典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，包含了未加固試件.圖4中，縱軸為應(yīng)力，橫軸為CFRP的橫向應(yīng)變和試件的軸向應(yīng)變.其中，橫向應(yīng)變?yōu)镃FRP中部4個(gè)應(yīng)變片的平均值(M1-M4)；對(duì)于縱向應(yīng)變，由于兩個(gè)位移計(jì)在加載的起始階段讀數(shù)變化不大，因此，在軸線應(yīng)變達(dá)到6 000 με之前，采用CFRP上4個(gè)縱向應(yīng)變片讀數(shù)的平均值，此后采用2個(gè)位移計(jì)讀數(shù)的平均值.試驗(yàn)表明，在6 000 με這個(gè)讀數(shù)點(diǎn)上，兩者的差別較小，在3%～8%之間.由圖4可以看出，在加載初期，CFRP約束混凝土方柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線與素混凝土的曲線基本一致.當(dāng)試件的壓應(yīng)力超過(guò)素混凝土的峰值應(yīng)力后，曲線出現(xiàn)一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)后的應(yīng)力-應(yīng)變行為與倒角半徑r密切相關(guān)，且曲線在達(dá)到素混凝土峰值應(yīng)力后的斜率隨著倒角半徑的增加而增大.為了便于比較和分析，定義倒角半徑比為rc，按下式計(jì)算：

rc=r(b/2)．

(1)

按照公式(1)，rc=0為方柱，rc=1為圓柱.

表2　CFRP約束混凝土抗壓強(qiáng)度

應(yīng)變/%

對(duì)于方柱，加固柱與未加固柱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系很接近.因此，如果不采取倒角措施，外包CFRP對(duì)混凝土方柱的承載力幾乎沒(méi)有提高作用，這與Wang 和 Wu[7]以及Mirmiran等[4]的研究成果一致，即可以認(rèn)為這一結(jié)論不受尺寸效應(yīng)的影響.但外包增強(qiáng)層大大改善了混凝土柱的延性，增強(qiáng)柱的縱向極限變形達(dá)到0.8%，這對(duì)于提高混凝土柱的變形能力極為有利.

總的來(lái)看，外包CFRP增強(qiáng)可以有效提高方柱的變形能力，但其增強(qiáng)效果并沒(méi)有隨著rc的增加成比例地遞增，而且其增強(qiáng)效果遠(yuǎn)不如對(duì)承載能力的提高效果.例如，當(dāng)rc從0.4逐步提高到0.8時(shí)，抗壓強(qiáng)度增幅超過(guò)80%，而軸向極限應(yīng)變變化很小.

2.3倒角半徑的影響

對(duì)于方柱，倒角半徑的大小對(duì)于外包CFRP的約束效應(yīng)有重要影響，采用約束柱與對(duì)比柱抗壓強(qiáng)度的比值fcc′/fco′可以定量分析倒角半徑對(duì)增強(qiáng)效果的影響.從表2可以看到，對(duì)于直角方柱，fcc′/fco′僅為1.03，抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有得到提高.fcc′/fco′最大者為圓柱，達(dá)到了2.20.

本文試驗(yàn)與文獻(xiàn)[7]中的試驗(yàn)在尺寸上具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但除了尺寸差異外，兩者在混凝土的抗壓強(qiáng)度、CFRP的性能與約束量等方面存在或多或少的差異.為了突出研究尺寸差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，作者采用Mirmiran等[3]提出的約束效應(yīng)比MCR的概念，定義為：

(2)

式中:fl為FRP提供的側(cè)向約束應(yīng)力;fco′為無(wú)約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，注意到2r/b也就是倒角半徑比rc.按照公式(2)計(jì)算得到的MCR考慮了約束程度、混凝土差異的影響.Mirmiran根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為當(dāng)MCR<0.15時(shí)，F(xiàn)RP對(duì)方柱的增強(qiáng)效應(yīng)可以忽略.

圖5給出了文獻(xiàn)[7]與本試驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)及每組試件的平均值曲線.從圖中可以看到，對(duì)于本試驗(yàn)的大尺寸試件，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著MCR的增加，約束試件的抗壓強(qiáng)度幾乎成線性增長(zhǎng).這一倒角半徑的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[7]中進(jìn)行的4組小尺寸試件的試驗(yàn)結(jié)果基本一致.顯然，Mirmiran提出的MCR=0.15為FRP對(duì)方柱的增強(qiáng)效應(yīng)的界限值的結(jié)論，與試驗(yàn)結(jié)果不相符.

文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)結(jié)果中，與本試驗(yàn)條件最為接近的一組為C30-2(C30強(qiáng)度等級(jí)的試件外包2層CFRP)，兩條平均值曲線較為吻合，意味著MCR相同時(shí)，兩者對(duì)于混凝土方柱的增強(qiáng)效果接近，試驗(yàn)結(jié)果具有可比性.應(yīng)該注意到，相對(duì)于邊長(zhǎng)為150 mm的小試件，本試驗(yàn)300 mm邊長(zhǎng)的大試件即使多外包一層CFRP，在相同的rc下，其MCR大大低于小試件，表明試件的尺寸對(duì)CFRP的約束效應(yīng)有重要影響.

MCR

2.4應(yīng)變分布

試驗(yàn)中，在每個(gè)試件的中間截面上粘貼了應(yīng)變片，以測(cè)量關(guān)鍵部位CFRP的應(yīng)變.表3給出了這些點(diǎn)達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變值，各點(diǎn)數(shù)值均為每組試件對(duì)應(yīng)部位測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值，其中，Rmax為每一組試件達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，測(cè)得的M，C和T中的最大者與CFRP小試件單向拉伸試驗(yàn)測(cè)得的極限應(yīng)變的比值.由表3可知，Rmax的最大值為0.724，從所有試件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，絕大部分試件達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，測(cè)得的CFRP極限應(yīng)變低于其材性試驗(yàn)測(cè)得的極限應(yīng)變的35%以上.對(duì)比文獻(xiàn)[7]試驗(yàn)中與本文MCR接近的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(C30的試件外包2層CFRP)，該組數(shù)據(jù)的Rmax最大為0.88，且多數(shù)試件CFRP的極限應(yīng)變比CFRP材性試驗(yàn)測(cè)得的極限應(yīng)變降低25%.試件外包CFRP的極限應(yīng)變低于材性試驗(yàn)測(cè)得的極限應(yīng)變，這一現(xiàn)象在許多研究者的論文中都進(jìn)行過(guò)描述和討論，一般認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因有兩點(diǎn)：一是在加載過(guò)程中，核心區(qū)混凝土的局部開(kāi)裂導(dǎo)致FRP的拉伸應(yīng)力分布不均勻；二是外包FRP在倒角部位有一定的彎曲變形，特別是對(duì)于小倒角半徑試件，產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中[5,7,14,17].從本試驗(yàn)與文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，大尺寸試件的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為顯著，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，試件尺寸增大一倍，外包CFRP的極限應(yīng)變降低約10%，存在明顯的尺寸效應(yīng).這也意味著實(shí)際結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP加固柱的延性很可能顯著低于小試件測(cè)得的結(jié)果.

表3　CFRP的破壞應(yīng)變

考慮到方形截面的對(duì)稱性，選取1/4截面，將破壞狀態(tài)時(shí)的M,C和T的極限應(yīng)變表示出來(lái)，并將最大應(yīng)變標(biāo)在其相應(yīng)位置，如圖6所示.圖中清楚顯示出最大拉伸應(yīng)變均出現(xiàn)在倒角中點(diǎn)(C點(diǎn))或起點(diǎn)(T點(diǎn))，與CFRP破壞的拉斷位置基本吻合.與Wang和Wu的試驗(yàn)比較，CFRP沒(méi)有在試件中部(M點(diǎn)附近)出現(xiàn)斷裂的情況，由此可以推斷，由倒角引起的FRP應(yīng)力集中及其對(duì)試件破壞的影響程度，大尺寸試件要大于小尺寸試件，存在尺寸效應(yīng)問(wèn)題.

按照試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是否出現(xiàn)下降段，試件可以分弱約束和強(qiáng)約束兩類，rc=0.4是本試驗(yàn)的分界點(diǎn).表4給出了3組弱約束試件在峰值應(yīng)力時(shí)，對(duì)應(yīng)CFRP在M，C和T點(diǎn)的應(yīng)變平均值，其中，R1max為峰值應(yīng)力時(shí)應(yīng)變與小試件材性試驗(yàn)獲取的極限應(yīng)變值的比值，rmax為其與試件破壞時(shí)的最大應(yīng)變值的比值.可以看到，各組試件的rmax和R1max都不大，特別是對(duì)于無(wú)倒角處理的試件， CFRP在荷載峰值時(shí)，其關(guān)鍵點(diǎn)C的拉伸應(yīng)變僅為其破壞時(shí)應(yīng)變的0.2，或其材料抗拉性能的0.1.這從約束機(jī)理上表明，外包CFRP不可能有效提高直角試件的承載力，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[7]中小尺寸試件的試驗(yàn)結(jié)果相同.對(duì)于弱約束試件，進(jìn)入下降段后，CFRP的約束效應(yīng)逐漸增大，試件破壞點(diǎn)的應(yīng)變較峰值荷載對(duì)應(yīng)的應(yīng)變大很多，這種約束效應(yīng)對(duì)試件的延性改善有顯著貢獻(xiàn)，但對(duì)試件增強(qiáng)的影響要有限得多，如圖4所示.

圖6　應(yīng)變分布圖

3理論模型與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

不少研究者提出了FRP約束方形(矩形)截面柱的約束模型，本文選用其中具有代表性的5種強(qiáng)度模型對(duì)本文試驗(yàn)柱進(jìn)行計(jì)算分析：Mirmiran 等[4]，Lam等[5]，ILki等[18]，Kumutha等[19]和Wu等[20].在計(jì)算中，需要定義模型中FRP的失效條件，按照ILki等[18]的分析，F(xiàn)RP破壞應(yīng)變?nèi)槠洳男栽囼?yàn)獲取的極限應(yīng)變的0.7倍.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，圖7給出了各強(qiáng)度模型計(jì)算結(jié)果與本文試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線.

表4　峰值應(yīng)力處的應(yīng)變比

表5　理論模型與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2r/b

由圖7可知，在倒角半徑比較小的情況下(rc≤0.2)，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[20]中強(qiáng)度模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合情況較好，而其他模型則明顯高估了約束柱的抗壓強(qiáng)度，且對(duì)于直角試件，這些模型的計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)出較為明顯的約束效應(yīng)，與試驗(yàn)結(jié)果明顯不相符.在倒角半徑比較大的情況下(rc>0.2),所有強(qiáng)度模型都低估了試件的抗壓強(qiáng)度，且預(yù)測(cè)誤差隨著rc的增大而顯著增大.整體來(lái)看，在所有強(qiáng)度模型中，文獻(xiàn)[4]中模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最為接近，但相對(duì)誤差也不小，在-2.9%～-22.0%之間.比較特殊的是文獻(xiàn)[20]中的模型，該模型是基于文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)結(jié)果提出的，試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，該模型對(duì)他們自己的試驗(yàn)結(jié)果吻合情況很好，因此，有必要考慮尺寸效應(yīng)的影響.而與本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，模型的預(yù)測(cè)值顯著低于試驗(yàn)值，這與尺寸效應(yīng)對(duì)抗壓強(qiáng)度的一般影響規(guī)律不相符，這種差異可能來(lái)自于兩方面：一是本文試驗(yàn)材料和條件與文獻(xiàn)[7]中的試驗(yàn)存在一定差別；二是本文試件尺寸顯著增大，約束程度顯著低于文獻(xiàn)[7]中的試驗(yàn)，而低約束程度相對(duì)于高約束程度，其對(duì)于強(qiáng)度的增強(qiáng)效果相對(duì)更顯著，因此，基于較強(qiáng)約束程度提出的文獻(xiàn)[20]模型預(yù)測(cè)本試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)偏低.而對(duì)于FRP約束柱的尺寸效應(yīng)研究來(lái)說(shuō)，本試驗(yàn)試件尺寸仍很有限，且數(shù)據(jù)量也很有限，尺寸效應(yīng)的影響還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究和分析.

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)7組逐步變化倒角半徑的大尺寸CFRP約束混凝土方形柱進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)，獲取了基本力學(xué)性能，并與已有小試件結(jié)果進(jìn)行了比較分析，得到以下主要結(jié)論：

1)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，約束柱的抗壓強(qiáng)度比f(wàn)cc′/fco′隨倒角半徑比的增加幾乎呈線性增加，倒角半徑對(duì)CFRP約束方柱的力學(xué)性能有重要影響.

2)本試驗(yàn)所進(jìn)行的大尺寸CFRP約束柱試驗(yàn)，破壞模式均為外包CFRP被拉斷，且破壞位置均在倒角范圍內(nèi)，具有顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象.試件破壞時(shí)，CFRP的最大應(yīng)變低于材性試驗(yàn)所測(cè)得極限應(yīng)變的35%以上，明顯大于已有小試件的試驗(yàn)結(jié)果，具有較為顯著的尺寸效應(yīng).

3)采用約束效應(yīng)比MCR，將本試驗(yàn)的大尺寸試件與已有的小尺寸試件試驗(yàn)結(jié)果建立起較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，反映出尺寸效應(yīng)的影響.試件的尺寸增加，大大降低了外包FRP的約束效應(yīng).

4)對(duì)于小倒角試件，特別是直角試件，達(dá)到應(yīng)力峰值時(shí)，CFRP的約束效應(yīng)很低，增強(qiáng)效應(yīng)可以忽略；進(jìn)入下降段后，CFRP的約束效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，對(duì)增加試件的延性有顯著作用.

5)采用現(xiàn)有CFRP約束方形柱的強(qiáng)度模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在rc較大的情況下存在顯著差異，有必要考慮尺寸效應(yīng)的影響，這方面的研究需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)和分析.

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Experimental Research on Large-scale Square Columns Confined with Wrapped CFRP under Axial Compressive Load

SHAN Bo1?, CAI Jing1, XIAO Yan1,Giorgio Monti1,2

(1.College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha,Hunan410082, China; 2. Univ of Rome Sapienza, Rome00917, Italy )

Abstract:Although the size of specimens presents significant effect on the mechanical performance of CFRP confined concrete columns, the size effect is a blank area of study until now. Based on a series of tests on seven groups of Carbon Fibre Reinforced Plastics (CFRP) confined large-scale square concrete columns with different corner radius, the basic mechanical properties were obtained, such as the failure modes, compressive strengths, stress-strain relationships, and the ultimate strain distribution of CFRP jacket. Moreover, their comparison with the experimental results of the smaller-scale specimens has been investigated and published. It is demonstrated that the confined strength increases with the increase of the corner radius except for the specimens with sharp corner. All of the specimens fail due to CFRP rupture, and the fracture location occurs in the chamfer zone. Meanwhile, the phenomenon of the stress concentration is obvious. The confinement ratio, i.e., MCR, shows a certain correlation with the size of specimen on the compressive strength of CFRP confined specimens. The ultimate strains measured on the CFRP jackets are about 35% less than that tested by the coupon specimens, while it is more serious than that for the smaller-scale specimens. It is found that the discrepancies between the predicted results of the existing strength models of CFRP confined square column and the experimental results in this work are obvious. It suggests that the size effect on the FRP confined square columns cannot be ignored,which needs to be further researched.

Key words:FRP；confinement; columns; axial compression; size effect

中圖分類號(hào)：TU375.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)尾?1976-)，男，湖南益陽(yáng)人，湖南大學(xué)副教授，工學(xué)博士?通訊聯(lián)系人，E-mail:supershanb@hnu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目( 2012CB026204)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278180)，National Natural Science Foundation of China(51278180)

*收稿日期：2015-03-26

文章編號(hào)：1674-2974(2016)03-0075-08