尺寸效應(yīng)對(duì)GFRP約束鋼筋混凝土方柱力學(xué)性能的影響

詹界東，　李　賽,　趙德望

(1.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

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尺寸效應(yīng)對(duì)GFRP約束鋼筋混凝土方柱力學(xué)性能的影響

詹界東1,2，李賽1,2,趙德望1,2

(1.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

GFRP布約束鋼筋混凝土柱是近幾年新興的一種加固形式。文中采用GFRP布纏繞包裹鋼筋混凝土方柱，討論尺寸效應(yīng)對(duì)GFRP約束鋼筋混凝土方柱力學(xué)性能的影響。通過靜力實(shí)驗(yàn)方法考察不同截面尺寸試件的極限承載力。結(jié)果表明：在相同配筋率和體積配置率的情況下，幾何相似的小、中、大三個(gè)尺寸的試件，隨著試件的尺寸增大，GFRP布的約束效果越好，其相對(duì)于未約束試件承載力提高幅度越大。

GFRP布；鋼筋混凝土方柱；尺寸效應(yīng)；極限承載力

0　引　言

近幾年，GFRP布約束鋼筋混凝土柱成為一種新興加固形式。FRP布約束方形截面混凝土柱，其截面內(nèi)存在有效約束核心區(qū)和非有效約束區(qū)，對(duì)于鋼筋混凝土方形截面柱，應(yīng)力會(huì)集中在拐角處，造成試件在拐角處發(fā)生脆性破壞。采用GFRP布纏繞包裹鋼筋混凝土方柱，通過環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑使玻璃纖維布與鋼筋混凝土柱緊密粘接在一起，共同承受荷載[2]。GFRP布以其輕質(zhì)高強(qiáng)、較好的穩(wěn)定性、較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度被廣泛用于工程實(shí)際中,如美國(guó)Texas Hamilton飯店,部分柱子采用了FRP進(jìn)行了維修加固,在日本，利用 FRP對(duì)一般建筑物和橋梁進(jìn)行加固分別占到了總加固量的45%和40%[3]。其主要作用是約束核心混凝土柱的橫向變形，改變核心混凝土的破壞形態(tài)，提高混凝土柱抗剪承載力、延性及耗能能力[4]。作為主要縱向受力構(gòu)件的鋼筋混凝土柱處于三軸受力狀態(tài)，自身抗壓承載力也會(huì)得到提高[5]。筆者根據(jù)需要和實(shí)驗(yàn)條件，借鑒了FRP布約束鋼筋混凝土柱的有關(guān)理論研究[6]，精心設(shè)計(jì)了三種尺寸的GFRP約束鋼筋混凝土柱試件及一組未纏布的鋼筋混凝土柱對(duì)比試件，進(jìn)行GFRP布約束鋼筋混凝土方柱的軸壓實(shí)驗(yàn)研究。

1　實(shí)驗(yàn)方案

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，試件長(zhǎng)細(xì)比均為3，每組試件有小、中、大三個(gè)尺寸，分別為150 mm×150 mm×450 mm、200 mm×200 mm×600 mm、250 mm×250 mm×750 mm。有文獻(xiàn)指出，鋼筋混凝土方柱在截面邊長(zhǎng)小于400 mm時(shí)，可以不做倒角處理，因此實(shí)驗(yàn)所有方柱都未做倒角處理。試件分為A組和對(duì)比組O組，每組試件包括3個(gè)按3∶4∶5擴(kuò)大尺寸的鋼筋混凝土方柱。A組試件玻璃纖維布纏繞層數(shù)按試件尺寸由小到大分別為3、4、5層，O組試件為對(duì)比組，未纏繞玻璃纖維布。

實(shí)驗(yàn)采用大慶蒙西水泥有限公司生產(chǎn)的32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)均符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定，各性能指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。粘貼玻璃纖維布所用結(jié)構(gòu)膠是用環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑、促進(jìn)劑、固化劑按100∶2∶1比例配制而成，試件的編號(hào)和參數(shù)如表2所示。

表1　C30混凝土配合比

表2　試件編號(hào)和參數(shù)

1.2試件處理

混凝土試件的處理和玻璃纖維布的粘貼嚴(yán)格按照《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146:2003)和混凝土結(jié)構(gòu)加固規(guī)范(GB50367—2006)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。鋼筋混凝土方柱粘貼GFRP布加固的步驟為：試件表面磨平，基面處理和清洗，配置粘接劑，粘接FRP布。鋼筋混凝土方柱粘貼完成后，置于陰涼干燥處，10℃左右室溫下放置一周，使其充分固化，再進(jìn)行軸壓實(shí)驗(yàn)[3]。制作完畢后的試件見圖1。

圖1　GFRP布加固后的鋼筋混凝土方柱

1.3測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)量?jī)?nèi)容

1.3.1測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)主要為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和位移測(cè)點(diǎn)。A組試件的混凝土測(cè)點(diǎn)布置在每個(gè)側(cè)面的中心處，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置橫向和縱向電阻應(yīng)變片各一個(gè)，如圖2a；O組試件作為對(duì)比組，每個(gè)側(cè)面在橫向1/2、縱向的四等分點(diǎn)上共布置三個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置橫向和縱向電阻應(yīng)變片各一個(gè)，如圖2b。A組試件的GFRP布測(cè)點(diǎn)布置在每個(gè)側(cè)面的橫向1/2、縱向四等分點(diǎn)中的兩個(gè)點(diǎn)上，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置橫向和縱向電阻應(yīng)變片各一個(gè)，如圖2c。

a　　　　　　b　　　　　c

1.3.2測(cè)量?jī)?nèi)容

試件加載過程中主要測(cè)量的內(nèi)容有：

(1)通過壓力試驗(yàn)機(jī)自帶的壓力傳感器測(cè)量試件的極限承載力。

(2)通過靜態(tài)應(yīng)變采集箱采集混凝土截面中部的縱向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變和GFRP布的軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變。

(3)通過百分表位移計(jì)的示數(shù)觀察試件的軸向位移和環(huán)向位移。

(4)實(shí)驗(yàn)過程中觀察GFRP布的開裂情況和加固后混凝土柱的破壞形態(tài)[7-8]。

1.4實(shí)驗(yàn)加載方案

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB50081—2002)中的有關(guān)規(guī)定，在東北石油大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。加載裝置為吉林省金力試驗(yàn)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YAW-5000微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)凈空高度為10 m，最大加載能力為5 000 kN，采用計(jì)算機(jī)控制。

(1)預(yù)加載：在每次正式加載前，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)先試加載，預(yù)加載最大值為預(yù)估的試件極限承載力的10%，在預(yù)加載過程中，檢查位移計(jì)和電阻應(yīng)變箱的讀數(shù)是否正常，若不正常，查明原因改正，直到儀器全部讀數(shù)正常為止。

(2)正式加載：正式加載為分級(jí)單調(diào)加載，采用力控制的控制方式。以極限荷載的70%為分界點(diǎn)，在達(dá)到70%極限荷載之前，每級(jí)荷載為1/10的極限荷載；達(dá)到70%極限荷載之后，每級(jí)荷載為1/20的極限荷載。在達(dá)到實(shí)驗(yàn)荷載預(yù)估值的90%以前，以2 kN/s的速率加載，隨后減慢加載速度，直至試件破壞[9]。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試件破壞形態(tài)

實(shí)驗(yàn)是一種重要的科學(xué)研究手段，通過實(shí)驗(yàn)，可以觀察到試件從開始加載到最終破壞的整個(gè)階段的變化情況[10]。

A組實(shí)驗(yàn)中，在加載初期，由于荷載很小，核心混凝土的橫向應(yīng)變很小，外包GFRP布尚未起約束作用，F(xiàn)RP布上的應(yīng)變值較小，主要由鋼筋混凝土柱承擔(dān)壓力，荷載與軸向位移呈線性變化，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于彈性階段。在以上加載過程中，結(jié)構(gòu)外觀無明顯變化。繼續(xù)加載，混凝土上的應(yīng)變迅速增加，GFRP布上的應(yīng)變也開始增加，當(dāng)加載到接近未約束鋼筋混凝土柱的極限承載力時(shí)，GFRP布上的應(yīng)變迅速增大，結(jié)構(gòu)外表面局部GFRP布由于拉伸而變白，如圖3a。試件中部的纖維布鼓起，如圖3b，這是由于環(huán)向拉力的作用，GFRP布與混凝土柱出現(xiàn)剝離，在此加載過程中能聽見清脆的劈裂聲。繼續(xù)加載，混凝土上的應(yīng)變片部分失去讀數(shù)，GFRP布的應(yīng)變大幅度增大，并持續(xù)地出現(xiàn)纖維布脆裂的聲音，再繼續(xù)加載，試件破壞，如圖3c、d。試件破壞時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，有的試件是混凝土中部被壓碎，中部FRP布斷裂；有的試件，是FRP布在角部發(fā)生斷裂，喪失約束能力。

a　　　　　　　　　　　b

c　　　　　　　　　　　d

2.2荷載應(yīng)變關(guān)系分析

A組試件荷載應(yīng)變關(guān)系曲線對(duì)比如圖4所示。

從試件的荷載-位移曲線中可以觀察到，在開始加載的很長(zhǎng)一段時(shí)間，試件的環(huán)向位移基本為零，直到荷載加至相應(yīng)尺寸未約束試件的極限荷載時(shí)，試件的環(huán)向位移才開始逐漸發(fā)展，并且加載后期約束試件的環(huán)向位移與未約束試件相比也很小，這說明GFRP布對(duì)鋼筋混凝土柱起到了較強(qiáng)的約束作用，很好地限制了試件的橫向變形的發(fā)展。

2.3尺寸效應(yīng)對(duì)試件力學(xué)性能的影響分析

對(duì)比A組試件和對(duì)照組O組的極限承載力和極限抗壓強(qiáng)度，如表3所示。

a　A1

b　A2

c　A3

試件尺寸/mm×mm×mmGFRP布纏繞層數(shù)試件編號(hào)極限承載力/kN極限抗壓強(qiáng)度/MPa極限抗壓強(qiáng)度提高幅度/%150×150×4503A161727.4226.950O148621.6-200×200×6004A2101225.339.550O279518.13-250×250×7505A3150424.0650.940O399615.94-

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，兩組試件的極限抗壓強(qiáng)度均隨著尺寸的增大而降低，未用GFRP布纏繞約束的對(duì)照組O中的小、中、大尺寸試件的極限抗壓強(qiáng)度分別為21.6、18.13、15.94 MPa，即隨著尺寸的增大，極限抗壓強(qiáng)度分別降低了3.47和2.19 MPa。 GFRP布約束的A組試件小、中、大尺寸試件的極限抗壓強(qiáng)度分別為27.42、25.3、24.06 MPa，即隨著尺寸的增大，極限抗壓強(qiáng)度分別降低了2.12和1.24 MPa，這說明GFRP布的約束作用減輕了試件極限抗壓強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨著尺寸的增大而降低的程度，即削弱了尺寸效應(yīng)的影響[11-12]。

將A、O兩組中的相同尺寸試件進(jìn)行對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)，試件A1相對(duì)于同尺寸未約束試件O1極限抗壓強(qiáng)度提高了26.95%，試件A2相對(duì)于同尺寸的未約束試件O2極限抗壓強(qiáng)度提高了39.55%，試件A3相對(duì)于同尺寸的未約束試件O3極限抗壓強(qiáng)度提高了50.94%。這說明，在相同配筋率和體積配置率的情況下，幾何相似的小、中、大三個(gè)尺寸的試件，隨著試件的尺寸增大，GFRP布的約束效果越好，其相對(duì)于未約束試件承載力提高幅度越大。

3　實(shí)驗(yàn)有限元分析

為了更好地驗(yàn)證結(jié)論的正確性，根據(jù)GFRP布約束鋼筋混凝土方柱組合結(jié)構(gòu)的特征和受力特點(diǎn)，利用ANSYS軟件建立模型進(jìn)行驗(yàn)證。模型見圖5。

利用ANSYS模型，對(duì)兩組GFRP布約束鋼筋混凝土方柱進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到每個(gè)試件的極限承載力、極限應(yīng)力、最大軸向位移，將這些指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證建立的ANSYS模型的可靠性，進(jìn)而對(duì)更多種工況下的GFRP布約束鋼筋混凝土方柱進(jìn)行數(shù)值分析。文中選取了A、B兩組試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如表4所示。

a　核心混凝土

b　GFRP布

c　鋼筋

d　組合柱整體

Fig. 5GFRP constraint model of reinforced concrete square columns

表4　A組試件有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過A組試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果的對(duì)比可以看出，極限承載力的誤差基本在10%左右，最大軸向位移的誤差均在10%以內(nèi)，由此可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ANSYS模擬結(jié)果吻合較好。

4　結(jié)　論

(1) FRP布約束鋼筋混凝土方柱的軸壓實(shí)驗(yàn)中，在加載初期，試件處于彈性階段，當(dāng)荷載加至接近同尺寸未約束試件的極限承載力時(shí)，GFRP布開始發(fā)揮約束作用，承擔(dān)主要的環(huán)向拉力。

(2) 將各組內(nèi)的三個(gè)試件進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，在幾何相似性和物理相似性原則的前提下，制作的三個(gè)試件的極限抗壓強(qiáng)度并不相同，說明對(duì)于幾何相似的小中大試件，在約束比相同的情況下存在尺寸效應(yīng)。GFRP布的約束作用可以減輕試件極限抗壓強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨著尺寸的增大而降低的程度，即削弱了尺寸效應(yīng)的影響。隨著試件的尺寸增大，GFRP布的約束效果越好，其相對(duì)于未約束試件承載力提高幅度越大。

(3) 通過A、O三組試件的對(duì)比， GFRP布纏繞層數(shù)越多，試件的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象越不明顯。GFRP布的約束使鋼筋混凝土方柱的極限抗壓強(qiáng)度有明顯提高。在一定層數(shù)范圍內(nèi)，隨著纏繞層數(shù)的增加，極限抗壓強(qiáng)度也隨之增大。但是，極限抗壓強(qiáng)度并未隨著層數(shù)增加而呈線性變化，反而隨著層數(shù)的增加，提高的幅度降低。說明對(duì)于GFRP布約束鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，存在最優(yōu)約束比的問題。

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(編輯徐巖)

Size effect on mechanical property of GFRP-confined reinforced concrete square columns

ZHANJiedong1,2，LISai1,2，ZHAODewang1,2

(1.Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention, Mitigation & Protection Engineering,Daqing 163318, China；2.School of Civil Engineering & Architecture， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China)

GFRP-confined reinforced concrete square column is an emerging form of reinforcement in recent years. This paper introduces the way reinforced concrete square columns are entwined and wrapped with GFRP jackets and discusses the influence of section size on the mechanical property of GFRP-confined reinforced concrete square columns. The study based on static test looks at the ultimate bearing capacity of the geometric similar test specimen in three different section sizes: small, medium and big. With the same reinforcement and volumetric configuration ratio, small, medium and large specimen of geometric similarity, could provide a better confined effect of GFRP jackets due tothe bigger sizes , suggesting a greater bearing capacity increase when compared with uncongfined specimen.

GFRP jackets; reinforced concrete square column; size effect; ultimate bearing capacity;

2016-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308028)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12543023)

詹界東(1970-)，男，吉林省榆樹人，博士，教授，研究方向：結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)防護(hù)工程，E-mail：renmeng200960@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.017

TU378.2

2095-7262(2016)04-0433-06

A