FRP約束RPC軸壓圓柱受力性能試驗研究

黃偉軍

摘要：本文在RPC受力性能研究基礎(chǔ)上，又進(jìn)行16組32根FR，P包裹RPC短柱軸壓試驗，采集了各級荷載下試件的應(yīng)變、位移和極限承載力等實驗數(shù)據(jù)，探討了不同類型FRP布包裹、FRP布的不同包裹方式對RPC極限承載力和變形能力的影響。

關(guān)鍵詞：RPC；FRP；極限承載力：變形能力

引言

纖維布（簡稱FRP）以其強度高（約為高強預(yù)應(yīng)力鋼筋的2倍）、重量輕（約為鋼材的1/5）、體積小和免銹蝕等優(yōu)異性能，外包約束活性粉末混凝土（簡稱RPC）改善其脆性是一種完全新的途徑。采用FRP包裹RPC能改善其延性小、變形差的缺點?；炷两Y(jié)構(gòu)是土木工程中應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。然而，隨著時間的增長，由于自然作用和一些偶然作用的影響，結(jié)構(gòu)混凝土?xí)r常受到損壞。對于受損害的混凝土構(gòu)件工程中經(jīng)常會用FRP對其進(jìn)行加固，并且前人研究中關(guān)于CFRP加固混凝土的研究較為充分。近幾年來。以天然玄武巖礦石為原料，高溫熔融拉制而成的連續(xù)玄武巖纖維逐漸走入結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域，這不光由于其強度高、無污染、性能穩(wěn)定，同時同碳纖維相比，其還具有價格低廉的優(yōu)點。目前，國內(nèi)外對FRP約束普通混凝土和高強混凝土研究較少，而用FRP約束RPC在國內(nèi)研究仍屬空白。

1.FRP約束RPC短柱試件設(shè)計

為了確定RPC混凝土柱的軸壓力學(xué)性能，所選擇的構(gòu)件長度必須恰當(dāng)，過長的試件將出現(xiàn)彎曲變形，試驗測得的抗力不能代表真實的抗壓強度；試件過短，則端部效應(yīng)的影響不能忽略。文獻(xiàn)[3]在分析了大量試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，建議標(biāo)準(zhǔn)試件的長徑比（L/D）應(yīng)取為3—3，5。故本文試驗的RPC柱試件采用鋼模澆筑而成。鋼模的長徑比（L/D）為3。高度取為400mm，直徑為133mm，見圖1-1

2.RPC柱體制作

RPC短柱制作過程如下：

（1）把鋼模拆開，在內(nèi)表面均勻涂上一層凡士林，合上鋼模上緊螺栓后，放上震動臺，

（2）往鋼模倒人適量的拌制好的RPC。

（3）將攪拌好的拌合物分三次投放，每投一次料，需使用震動臺和震動棒同時振搗約1，5分鐘，最后一次要投放到滿溢出鋼模20mm-30mm為止，再刮平柱的項面，然后用濕布覆蓋防止表面混凝土因干縮開裂。

（4）由于混凝土的干縮會使柱的頂面不平整，而柱面不平整會影響混凝土抗壓試驗的調(diào)平和增大偶然偏心距，所以需在柱體拆模后，混凝土具有一定強度時，把頂面打磨平整。

3.FRP材料選用

3.1碳纖維布（CFRP布）

本次試驗采用廣州市實為建材有限公司的碳纖維布（cFRP布），該材料與配套膠粘劑共同使用，可構(gòu)成完整的性能卓越的碳纖維布材增強體系。碳纖維布具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，抗拉強度高于普通鋼材的10～15倍，彈性模量與鋼材接近，極適合約束混凝土，

3.2玻璃纖維布（CFRP布）

本次試驗采用余姚市經(jīng)緯玻纖的玻璃纖維布。該材料與上述實為建材的膠粘劑配合使用，可構(gòu)成完整的玻璃纖維布增強體系。玻璃纖維布的抗拉強度不夠碳纖維布強度高，但極限延伸率卻比碳纖維高，對改善延性防止脆性破壞有重大貢獻(xiàn)。

4.FRP約束RPC短柱軸壓試驗方法

4.1試件設(shè)計

本試驗共制作了32根RPC短柱試件，核心RPC的配合比取水泥：硅灰：磨細(xì)石英粉：細(xì)砂=1：0.3：0.32：1.1。水膠比為0.20，高效減水劑摻量為2.5%。試件經(jīng)1天成型后拆模，4天室內(nèi)常溫養(yǎng)護(hù)，放入高溫高壓蒸壓釜養(yǎng)護(hù)8小時，蒸汽養(yǎng)護(hù)后，將其置于室內(nèi)常溫養(yǎng)護(hù)至28天齡期，打磨端部。試件情況見表3-1。試件編號中，英文字母CW系列為碳纖維布包裹系列，GW系列為玻璃纖維布包裹系列，HW系列為混雜纖維布包裹系列。

5.FRP約束RPC軸壓柱特征參數(shù)探討

從試驗現(xiàn)象可以看出，用纖維布包裹RPC試件時，纖維布的主要作用是對內(nèi)部RPC起約束作用，纖維布約束RPC是一種被動約束，隨著RPC軸向壓力的增大，橫向膨脹促使纖維布產(chǎn)生環(huán)向伸長從而提供側(cè)向約束力。約束機制取決于兩個因素：RPC橫向膨脹性能與外包復(fù)合材料的環(huán)向剛度。FRP約束混凝土應(yīng)力一應(yīng)變曲線呈現(xiàn)雙直線模型，過渡區(qū)的應(yīng)力水平約為無約束混凝土強度，若FRP的使用量過小則有可能令強度幾乎沒有提高。

在第一直線階段，應(yīng)力一應(yīng)變曲線與非約束混凝土類似，混凝土未開裂，橫向膨脹較小，纖維布環(huán)向應(yīng)變很小。此時纖維布對混凝土的約束作用很小。在第二直線階段。隨著荷載的增大，內(nèi)部RPC出現(xiàn)裂縫，體積膨脹，激發(fā)纖維布的環(huán)向變形，纖維布反過來對核心混凝土提供側(cè)向約束，RPC的極限應(yīng)變得以提高，推遲了RPC的開裂。由于內(nèi)部RPC受到約束作用。當(dāng)其應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力時，RPC仍可表現(xiàn)出較好的變形性能。此時，纖維中被動產(chǎn)生的拉應(yīng)力得到充分發(fā)展，拉應(yīng)力不斷增大。當(dāng)某處的纖維達(dá)到材料的允許極限應(yīng)變時。纖維被拉斷。試件破壞。在這種情況下，RPC的極限應(yīng)力和FRP的極限應(yīng)變是同時達(dá)到的，已有的FRP約束普通混凝土和高強混凝土圓柱體試件的試驗中，絕大多數(shù)都發(fā)生這種破壞，但也有一些試驗中因搭接長度不足出現(xiàn)由接頭處的分離而導(dǎo)致的提前破壞，很多既有研究資料假定，纖維布的約束力與箍筋作用原理相似，通過拱作用有效地施加到核心混凝土上，拱作用發(fā)生在截面內(nèi)以及纖維條帶之間的縱向空隙處。若為條帶包裹，在纖維布包裹到的截面內(nèi)，RPC所受到的約束最大，有效約束區(qū)面積最大：在相鄰纖維布條帶的中間截面上，約束作用最弱，有效約束區(qū)面積最小。試件的極限承載力取決于最弱的截面，因此，條帶包裹試件的承載力不如全包的增強效果好：條帶間距越大，相鄰纖維布條帶的中間截面上的約束越弱，試件的極限承載力越小。

6.結(jié)果討論與分析

6.1玻璃纖維布（GFRP布）全包裹RPC柱的破壞

從強度角度考察，GFRP包裹RPC柱提高的幅度比CFRP要小，但卻消耗了核心混凝土脆性破壞的巨大能量，改善了延性。從變形角度考察，GFRP與RPC能夠變形協(xié)調(diào)，因此GFRP約RPC柱的豎向位移有較大的增長，變形能力有較大的提高。

6.2碳纖維布（CFRP）全包裹RPC柱的破壞

從強度方面考察，CFRP提高RPC柱的極限承載力幅度比GFRP大，與RPC柱協(xié)同工作，使RPC柱的近似彈性工作區(qū)段得到了增加，但因CFRP的極限延伸率比GFRP低，對柱塑性的提高不明顯。從變形方面考察，CFRP約束RPC柱豎向位移有增長，但相對GFRP來說效果不夠理想，建議采用復(fù)合纖維包裹方式。

6.3碳纖維布條帶包裹RPC柱的破壞

從強度方面考察，分條包裹在相同層數(shù)方面強度提高稍有降低，但若按體積使用率算，同樣的CFRP包裹量分條包裹強度提高幅度比全包更大。從變形方面考察，分條包裹的總體延性要比全包裹略低，但分條包裹破壞前有先兆，有清脆的碳纖維布斷裂聲音，建議在碳纖維布包裹RPC時混合使用全包和分條包裹，尤其在RPC柱端部1/3處應(yīng)多層包裹。

6.4混雜纖維布（HFRP布）全包裹RPC柱的破壞

從強度方面考察，HFRP混合約束RPC比CFRP約束RPC能顯著提高其強度，并且破壞具有一定的先兆，相對CFRP能較清楚聽到纖維斷裂聲音，加載過程中有類似屈服階段的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。從變形方面考察，HFRP混合約束RPC比GFRP約束RPC能極大地提高其極限應(yīng)變，這主要是因為試件受碳纖維布約束的彈性工作段得到了大的增加，而玻璃纖維布本身極限延伸率高，故復(fù)合使用兩種纖維能獲得理想的效果。