CFRP約束高強(qiáng)混凝土圓柱抗壓力學(xué)性能研究

任宏偉，嚴(yán)珊

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

0 引 言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)具有高效價(jià)廉，質(zhì)輕耐久，施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，混凝土在其約束下處于三向應(yīng)力狀態(tài)，可有效改善混凝土的變形和承載能力[1-4]。近年來，采用CFRP約束對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，在大量試驗(yàn)與理論研究的基礎(chǔ)上，CFRP約束混凝土技術(shù)已成熟，并被廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)混凝土修復(fù)與加固實(shí)際工程中[5-7]。

謝志紅等[8]對15個(gè)C30強(qiáng)度等級的混凝土圓柱黏貼CFRP條帶進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)，研究了不同寬度條帶約束混凝土圓柱的強(qiáng)度和極限應(yīng)變，結(jié)果表明，隨著約束CFRP條帶寬度增加，混凝土圓柱強(qiáng)度和延性得到了明顯提高；高鵬等[9]進(jìn)行了截面高寬比對碳纖維布約束C30混凝土短柱軸壓性能影響的研究，得出約束混凝土短柱的變形能力隨構(gòu)件高寬比的增大而增強(qiáng)，給出了碳纖維布約束混凝土構(gòu)件的高寬比宜大于2的建議；潘毅等[10]對12個(gè)C20混凝土圓柱進(jìn)行了不同加載模式下的長期負(fù)載軸壓試驗(yàn)，研究了混凝土和CFRP徐變對長期負(fù)載下CFRP約束混凝土圓柱抗壓性能的影響，得到了不同加載模式下CFRP約束混凝土柱的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變受長期負(fù)載的影響規(guī)律；蔡小玲等[11]在Drucker-Prager模型有限元方法研究的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)研究了不同混凝土截面和不同F(xiàn)RP約束剛度對混凝土柱抗壓性能的影響，并提出了混凝土柱在FRP約束下的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系理論模型。

張揚(yáng)等[12]針對FRP約束混凝土柱的抗壓強(qiáng)度，對現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛷?qiáng)度準(zhǔn)則理論模型進(jìn)行歸納總結(jié)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析了兩種模型的精度，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)抗壓模型較高的精確度，最后根據(jù)Griffith破壞準(zhǔn)則建立了能夠準(zhǔn)確預(yù)測FRP約束混凝土強(qiáng)度的新型模型。

目前CFRP約束混凝土性能研究大多針對C40以下強(qiáng)度等級的混凝土，而高強(qiáng)混凝土在其約束下的抗壓力學(xué)性能研究相對不足，且缺少相應(yīng)的理論模型分析。因此本文進(jìn)行了單向軸壓試驗(yàn)，深入研究了CFRP約束層數(shù)和混凝土強(qiáng)度等級對混凝土圓柱軸壓性能的影響規(guī)律，給出了CFRP約束高強(qiáng)混凝土圓柱的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計(jì)算公式，為CFRP加固高強(qiáng)混凝土技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)和材料特性

試驗(yàn)考慮CFRP約束層數(shù)和混凝土強(qiáng)度等級兩種參數(shù)，設(shè)計(jì)制作了14組共42個(gè)150 mm(直徑)×300 mm(高度)的混凝土圓柱體試件，混凝土強(qiáng)度等級分別為C40，C45，C50，C55，C60，CFRP約束采用0，1，2，3層4種形式，未設(shè)置約束的試件作為試驗(yàn)對比。

水泥采用唐山冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5R級普通硅酸鹽水泥，砂為遷安產(chǎn)細(xì)度模數(shù)為2.23的河砂，5～31 mm連續(xù)級配碎石，添加適量的唐山奧東化工有限公司產(chǎn)AD-1聚羧酸減水劑，各強(qiáng)度等級的混凝土配合比見表1。根據(jù)《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》(GB/T3354-2014)對試驗(yàn)采用的CFRP進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到其性能參數(shù),見表2。參照《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 146-2003)，對混凝土圓柱試件表面打磨清洗、涂刷樹脂平整后黏貼CFRP布，如圖1所示。

表1 混凝土配合比

表2 CFRP性能指標(biāo)

圖1 試件約束處理流程

1.2 加載及測量方案

試驗(yàn)在華北理工大學(xué)河北省地震工程研究中心5 000 kN萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用自行設(shè)計(jì)制作的加載裝置進(jìn)行加載，將30 mm厚鋼墊板放置在試件上下兩端，通過底部3 000 kN壓力傳感器進(jìn)行分級加載控制，如圖2所示。初期加載速率為4 kN/s；試件發(fā)生屈服后，施加荷載接近計(jì)算峰值荷載至試件破壞階段，加載速率減慢為1 kN/s。試驗(yàn)過程中主要觀測試件的破壞過程及最終破壞形態(tài)、混凝土圓柱的軸向變形、試件中間位置處CFRP布的軸向和橫向應(yīng)變。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

圖3 應(yīng)變片布置示意

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞過程與破壞形態(tài)

未約束CFRP混凝土圓柱試件在加載初期未產(chǎn)生明顯變化，隨著荷載增加，試件中上部先出現(xiàn)微小豎向裂縫，并不斷向兩端擴(kuò)展延伸。當(dāng)施加的軸向荷載接近極限荷載時(shí)，原有裂縫明顯變寬并貫穿試件，混凝土圓柱試件出現(xiàn)明顯的橫向變形。達(dá)到極限荷載之后，試件部分混凝土伴隨著劈裂聲出現(xiàn)脫落，如圖4(a)所示。

對于CFRP約束試件，加載初期也無明顯變化。當(dāng)荷載增加到極限荷載的0.6～0.7，試件開始出現(xiàn)輕微橫向變形。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的0.9時(shí)，試件橫向變形明顯，部分纖維布發(fā)生斷裂，并發(fā)出噼啪聲，同時(shí)試件表面黏結(jié)的樹脂出現(xiàn)明顯的白色裂痕。繼續(xù)加載至素混凝土的極限荷載，大面積CFRP隨著一聲巨響完全崩開，試件破壞。掀開斷裂的CFRP，發(fā)現(xiàn)有一層破碎混凝土黏結(jié)在其內(nèi)側(cè)，試件混凝土粗骨料與砂漿發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，CFRP約束試件的破壞形態(tài)如圖4(b)所示。

圖4 試件破壞形態(tài)

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

對CFRP約束混凝土圓柱各試件的極限抗壓強(qiáng)度和軸向峰值應(yīng)變分別取平均值，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，混凝土在CFRP約束下處于三向應(yīng)力狀態(tài)，橫向變形受到限制，很大程度上提高了混凝土圓柱試件的變形和承載能力。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制混凝土試件在1層CFRP約束下極限抗壓強(qiáng)度隨混凝土試塊強(qiáng)度的變化規(guī)律，如圖5所示。圖6為C40和C50混凝土試件的極限抗壓強(qiáng)度受CFRP約束層數(shù)的影響。

圖5 極限抗壓強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度關(guān)系

圖6 極限抗壓強(qiáng)度與CFRP約束層數(shù)關(guān)系

由表3和圖5可知，在1層CFRP布約束情況下，C40,C45,C50,C55,C60強(qiáng)度等級試件的極限抗壓強(qiáng)度，比無約束試件的分別提高了86.87%，64.06%，39.48%，21.47%，23.76%，極限抗壓強(qiáng)度提高幅度在一定程度上隨混凝土強(qiáng)度等級的增大而減小。通過表3和圖6分析得出，試件極限抗壓強(qiáng)度提高幅度隨CFRP約束層數(shù)的增加有大幅提升，曲線近似直線。在1～3層CFRP約束情況下，強(qiáng)度等級為C40和C50試件的極限抗壓強(qiáng)度分別提高了85.06%,133.82%,244.85%和69.89%,135.37%,171.89%。

表3 試驗(yàn)結(jié)果匯總

3 理論模型分析

3.1 CFRP對混凝土圓柱側(cè)向約束力

圖7為混凝土圓柱試件在CFRP約束下的受力示意圖，假定彈性材料情況下對混凝土圓柱的側(cè)向約束力fl為

圖7 碳纖維與混凝土受力示意圖

(1)

式中：Ef，ff，εfu，tf分別為CFRP的彈性模量，極限強(qiáng)度，極限應(yīng)變和厚度；D為混凝土圓柱直徑。

3.2 抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變模型

基于國內(nèi)外學(xué)者前期研究混凝土材料在FRP約束下抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的已有模型[13-17]，根據(jù)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，分別回歸分析CFRP約束混凝土圓柱試件的抗壓強(qiáng)度fcc和峰值應(yīng)變εcc，以及未采用CFRP約束試件的抗壓強(qiáng)度fco和峰值應(yīng)變εco，得出fcc/fco、εcc/εco與fl/fco的關(guān)系,如圖8所示。fco處于23.5～51.9時(shí),CFRP約束混凝土圓柱的抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變計(jì)算公式為

圖8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析曲線

(2)

(3)

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

采用無量綱坐標(biāo)的方法表示CFRP約束混凝土圓柱試件的應(yīng)力和應(yīng)變的大小，擬合CFRP約束層數(shù)和混凝土強(qiáng)度等級兩種影響因素下各組試件的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系曲線，見圖9。參考《鋼筋混凝土原理和分析》[18]提出的混凝土在鋼筋約束下分段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，建立整個(gè)過程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相應(yīng)的計(jì)算公式：

圖9 CFRP約束混凝土圓柱試件應(yīng)力應(yīng)變曲線

ε≤0.85εco，0.50≤A≤1.1,

(4)

0.37≤B1≤0.70，0.32≤B2≤0.64,

(5)

-0.05≤C1≤-0.35，1.05≤C2≤1.35,

(6)

式中：σcc和εcc分別為試件在CFRP約束下的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變；A為混凝土強(qiáng)度等級系數(shù)；B1，B2和C1，C2分別為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上升段和下降段的CFRP約束系數(shù)。

4 結(jié) 論

(1)CFRP可有效約束混凝土柱的橫向變形，顯著提高其極限抗壓強(qiáng)度。單層CFRP約束下，C40,C45,C50,C55,C60混凝土圓柱的極限抗壓強(qiáng)度分別提高86.87%，64.06%，39.48%，21.47%，23.76%。在2層和3層CFRP約束下，C40和C50混凝土圓柱的極限抗壓強(qiáng)度分別提高了133.82%，244.85%和135.37%，171.89%。

(2)CFRP約束對混凝土圓柱抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的提高幅度，在一定范圍內(nèi)隨CFRP約束層數(shù)的增加而增強(qiáng)，隨混凝土強(qiáng)度等級的增大而減弱。

(3)通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，建立了CFRP約束高強(qiáng)混凝土圓柱的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計(jì)算公式，為CFRP加固高強(qiáng)混凝土技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論參考。