BFRP约束几何相似钢筋混凝土圆柱的性能研究

BFRP约束几何相似钢筋混凝土圆柱的性能研究

第３５卷　第１期２０１１年１月

南京林业大学学报（自然科学版）

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）

Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．１

，２０１１Ｊａｎ．

：／／ｗｗｗ．ｎｌｄｘｂ．ｃｏｍ［ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－２００６．２０１１．０１．０１９］ｈｔｔｐ

ＢＦＲＰ约束几何相似钢筋混凝土圆柱的性能研究

童谷生，刘永胜

（华东交通大学土木建筑学院，江西　南昌　３３００１３）

摘要：利用５０００ｋＮ液压试验机，对３组几何形状相似的玄武岩纤维布（ＢＦＲＰ）约束钢筋混凝土采用ＢＦＲＰ约束钢筋混凝土可以有效地提高试件的极限圆柱进行了静力压缩试验。结果表明：

应力并改善其破坏形态，与未约束试件相比，上述３组试件的极限应力分别提高８４７％、８５９％和８８２８％。不同尺寸的约束试件极限应力提高程度不等，体现了材料承载能力的尺寸效应。另外，在已有纤维布（ＦＲＰ）约束素混凝土柱强度模型的基础上，建立了适合于ＢＦＲＰ约束钢筋混凝土柱的强度模型。

关键词：玄武岩纤维布；钢筋混凝土圆柱；尺寸效应；极限应力；强度模型

中图分类号：ＴＵ５２８．５７１　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１０００－２００６（２０１１）０１－００８３－０４

Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙｓｉｍｉｌａｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ

ｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｂｙＢＦＲＰ

ＴＯＮＧＧｕｓｈｅｎｇ，ＬＩＵＹｏｎｇｓｈｅｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔａｔｉｃｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆ１５０ｍｍ×４５０ｍｍ、２００ｍｍ×６００ｍｍ，２５０ｍｍ×７５０ｍｍｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙｂａｓａｌｔｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｐｌａｓｔｉｃ（ＢＦＲＰ）ｓｈｅｅｔｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙ５０００ｋＮｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｕｓｉｎｇＢＦＲＰｓｈｅｅｔｓｃｏｕｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｂｅａｒｉｎｇａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎａｎｄｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄｓｔｒｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｏｆ８４７％，８５９％ａｎｄ８８２８％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔｏｆｂｅａｒｉｎｇｅｘｉｓｔｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＦＲＰｓｔｒｅｎｇｔｈｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｍｏｄｅｌｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｂｙＢＦＲＰｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｍｏｄｉｆｙｉｎｇｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢＦＲＰ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎ；ｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔ；ｌｉｍｉｔｅｄｓｔｒｅｓｓ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｍｏｄｅｌ

混凝土等脆性材料的尺寸效应一直是国内外

１］

的研究热点。Ｂａｚａｎｔ等［将实验结果应用于劈裂

３］

应问题。Ｙａｚｉｃ等［开展了碳纤维布（ＣＦＲＰ）约束

素混凝土柱的抗压试验，结果表明不同尺寸的试件

４］强度存在尺寸效应；Ｉｓｓａ等［对ＣＦＲＰ加固钢筋混

裂纹带模型，分析了几何相似素混凝土柱的轴压承

２］

载能力尺寸效应；Ｓｅｎｅｒ等［开展了几何相似钢筋

凝土圆柱试件的强度尺寸效应进行了非线性有限元分析。文献［５－６］中对ＦＲＰ约束素混凝土方柱的强度及尺寸效应进行了试验研究。纤维加固技术在土木工程中应用时间还较短，在加固设计理论和实验研究方面仍待完善。笔者通过试验研究了玄武岩纤维布（ＢＦＲＰ）约束几何相似的钢筋混凝土圆柱试件强度和变形，并分析了ＢＦＲＰ对钢筋混凝土圆柱强度的影响及其尺寸效应。

混凝土方柱轴压实验，结果与Ｂａｚａｎｔ等提出的尺寸效应一致。纤维布（ＦＲＰ）材料具有强度高、耐腐蚀性能好、价格实惠等优点，因而在结构加固技术中具有良好的应用前景。但在实验室研究材料的加固技术时，试件大都是按照比例做成的缩尺模型。这些缩小后的试件与工程中实际构件的力学性能（如强度）在横向约束不足时也会出现尺寸效

　收稿日期：２０１０－０３－２３　　　　修回日期：２０１０－０６－１７

　基金项目：江西省自然科学基金项目（２００９ＧＺＣ００１９）；铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心开放研究项目　作者简介：童谷生（１９６２—），教授，博士。Ｅｍａｉｌ：ｔｏｎｇｇｕｓｈｅｎｇ＠１２６．ｃｏｍ。

　引文格式：童谷生，刘永胜．ＢＦＲＰ约束几何相似钢筋混凝土圆柱的性能研究［Ｊ］．南京林业大学学报：自然科学版，２０１１，３５（１）：

８３－８６．

BFRP约束几何相似钢筋混凝土圆柱的性能研究

１　材料与方法

１．１　原材料

水泥为普通３２５级硅酸盐水泥；粗骨料为最

３大粒径达２５ｍｍ卵石，堆积密度为１６２０ｋｇ／ｍ，表３

３５５ｋｇ／ｍ，空隙率为３８％，含水率观密度为２６

３］

供［。试验所用的结构胶是由湖南固特邦土木技术

有限公司生产的ＪＮＣ纤维片材加固配套专用胶。１．２　试件设计和制作

试件设计为圆柱形，其尺寸、分组及加固方式见表１。表１中２７个构件共分为Ａ、Ｂ、Ｃ３组，每Ａ、Ｂ、Ｃ为ＢＦＲＰ加固试件，Ａ、Ｂ、Ｃ为组９个，１１１２２２未加固的对比构件。试件采用全长包裹的方式加固。Ａ、Ｂ、Ｃ３组构件的直径、高度、纵筋直径、箍筋直径、箍筋间距、保护层厚度、ＦＲＰ粘贴层数的比值均为３∶４∶５，从而保证了Ａ、Ｂ、Ｃ３组构件所有因素７ｄ实测强度的几何相似性。同批混凝土立方体２平均值为３７６ＭＰａ。

为０２４４％；细骨料为细度模数２２２的中砂，其堆

３３

积密度为１４０３ｋｇ／ｍ，表观密度为２６４４ｋｇ／ｍ，空

隙率为４６％，含水率为０４％；箍筋选用Ｑ２３５钢，纵筋采用ＨＲＢ３３５钢，纵筋的抗拉极限为３９０ＭＰａ，８４％；玄武岩纤维布由浙江得邦高技术配筋率为３

纤维有限公司生产，其规格和性能参数由厂家提

表１　试件尺寸、分组及加固方式

Ｔａｂｌｅ１　Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓｉｚｅ，ｇｒｏｕｐｉｎｇａｎｄｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｐａｔｔｅｒｎｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓ

编号

Ｎｏ．Ａ１Ａ２Ｂ１Ｂ２Ｃ１Ｃ２

尺寸／ｍｍ

ｓｉｚｅ１５０×４５０１５０×４５０２００×６００２００×６００２５０×７５０２５０×７５０

数量

ｎｕｍｂｅｒ４５４５４５

纵筋ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ直径／ｍｍ１２１２１６１６２０２０

数量６６６６６６

保护层厚／ｍｍ

ｒｏｔｅｃｔｏｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓ直径／ｍｍ间距／ｍｍｐ

６６８８１０１０

６０６０８０８０１００１００

１５１５２０２０２５２５

箍筋ｓｔｉｒｒｕｐ

ＢＦＲＰ层数

ＢＦＲＰｌａｙｅｒ

３０４０５０

２　结果与分析

２．１　极限荷载与极限应力

所有试验均在５０００ｋＮ液压试验机上进行。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　试验测得试件的应力应变曲线如图１所示。由图１可以看出，当试件尺寸相同时，加固试件的变形

能力比未加固对比试件强得多。

图１　试件的应力－应变（）曲线ρεＦｉｇ．１　Ｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ

试件的极限荷载及极限应力如表２所示。由表２可知，尽管此次试验所用试件不多，但实验数据分布还是比较理想。加固试件的极限荷载和极限应力较未加固试件均有不同程度的提高，且随着试件尺寸不断增大，极限应力的提高值不断减小，

但提高幅度不断增大。２．２　试件的变形和破坏形态分析

未加固试件在轴心荷载作用的初期，外观没有

明显变化。当荷载达到试件强度的５０％左右时，由于混凝土试件表面没有横向约束作用，试件开始出现竖向微裂纹。当轴心压力达到峰值应力的

８０％左右时，试件竖向裂纹逐渐增多，并随着荷载的进一步增加逐渐扩展，此时试件的横向变形明显。随着荷载的逐渐增加，试件相继出现多条纵向可见短裂缝并不断延伸、扩展，形成贯通的斜裂缝，直至混凝土保护层脱落。当荷载达到其极限承载

BFRP约束几何相似钢筋混凝土圆柱的性能研究

表２　试件的强度值

Ｔａｂｌｅ２　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓ

相似。但当荷载达到未加固试件的峰值应力时，由于试件的横向变形增加，加固试件纤维布的环向拉应变开始逐渐增大，纤维的约束效应逐渐体现出来；随着荷载的继续增加，纤维布因混凝土的纵向压缩而拉紧出现皱褶，并向外出现膨胀，可以听到纤维断裂的响声。纤维布和混凝土之间空隙会逐渐因纤维的张紧和混凝土柱的横向膨胀而填满。当荷载进一步增加时，纤维布变形迅速增长，柱有明显的横向膨胀，小部分纤维出现断裂，发出较大的声响；当达到各加固柱的峰值应力时，在一声巨大的爆裂声中，柱中部纤维布突然断裂，并在纤维布断裂处可以看见纵筋向外凸出，试验柱迅速丧失承载力，柱体破坏。加固圆柱试件的破坏形态如图２ｂ

所示。

编号

Ｎｏ．Ａ１Ａ２Ｂ１Ｂ２Ｃ１Ｃ２

极限荷

载／ｋＮｌｉｍｉｔｌｏａｄ１４０００７５８０２４０５０１２７８０３４４５０１８０２０

极限应

力／ＭＰａｌｉｍｉｔｓｔｒｅｓｓ７９２６４２９１７６６５４０６９７０２１３７２９

强度提

强度增

％高率／

幅／ＭＰａ

ｓｔｒｅｎｇｔｈ

ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｄ

ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ

３６３５—３５９６—３２９２—

８４７０—８５９０—８８２８—

力时，轴向变形迅速增大，构件中间位置保护层几乎全部脱落，钢筋被压曲，混凝土构件的承载力迅速下降，试件破坏，其形态如图２ａ所示。

在加载初期，加固试件与未加固试件响应情况

图２　试件的破坏形态

Ｆｉｇ．２　Ｄｅｓｔｒｏｙｅｄｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ

注：ａ．未加固试件；ｂ．加固试件。

加固柱破坏后其内部混凝土成粉末状，而对比试件破坏后其内部混凝土成块状。加固试件在破坏后除部分粗骨料外多被压酥、破碎成粉状，剥落的混凝土堆洒在试验机底座上，说明纤维布对核心混凝土起到了较强的约束作用，混凝土的强度得到充分的利用。试验中还发现，在结构胶对纤维布良好浸渍并搭接充分的情况下（试验中搭接长度为１００ｍｍ），并没有出现纤维布搭接失效的情况。而且在对破坏的试件观察发现，断裂的纤维布撕裂后其内面上粘有大量混凝土碎块，说明纤维布与混凝土之间的界面黏接性能很好，能共同承受荷载。２３　ＢＦＲＰ加固钢筋混凝土柱强度分析２３．１　ＦＲＰ加固混凝土柱的强度模型

为了对ＦＲＰ加固后混凝土柱类构件在轴压下的承载能力进行分析和预测，近年来很多学者根据试验结果提出了不同形式的强度和变形经验模型。其中大多是参考钢材约束混凝土的强度模型建立

７］

起来的，模型的形式如下［：

ｆ′ｆｃｃ１

＝１＋Ｋ·。１

ｆ′ｆ′ｃｏｃｏ

（１）

式中：ｆ′和ｆ′分别表示约束混凝土的强度和无ｃｃｃｏ约束混凝土强度；Ｋｆ１为等效约束系数；１表示横向２ｆｔＦＲＰ

约束压力ｆ，ｆＲＰ布的周向拉伸强１ＲＰ为ＦｄＦｔ为ＦＲＰ布的总厚度，ｄ为试件的直径。度，

由于ＦＲＰ是脆性材料，破坏时不存在屈服阶段。因而在使用上述模型时，需要对Ｋ１值进行修

８－９］正。表３给出了修正后模型的等效约束系数［

计算式。

由于混凝土材料试验结果的离散性，再加上试验时所采用的纤维种类、纤维布厚度、黏结剂种类、构件截面形状以及混凝土的性能、试件的尺寸等参数不同，各种模型的精度也不一。

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８６

南京林业大学学报（自然科学版）表３　ＦＲＰ约束钢筋混凝土柱的强度模型值

Ｔａｂｌｅ３　ＳｔｒｅｎｇｔｈｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｍｏｄｅｌｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｂｙＦＲＰ

第３５卷

ＭＰａ

Ｋ１及试件类型Ｋｎｄｓａｍｐｌｅｔｙｐｅ１ａ

Ｋ１ＡＢＣ

ｆ′ｃｓｆ′ｃｃ

ＳａｍａａｎＭｉｙａｕｃｈｉＳａａｆｉＴｏｕｔａｎｊｉＴｅｎｇＫａｒｂｈａｒｉ强度强度强度强度强度强度

ＫａｒｂｈａｒｉｓｔｒｅｎｇｔｈＳａｍａａｎｓｔｒｅｎｇｔｈＭｉｙａｕｃｈｉｓｔｒｅｎｇｔｈＳａａｆｉｓｔｒｅｎｇｔｈＴｏｕｔａｎｊｉｓｔｒｅｎｇｔｈＴｅｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｆ１．１３２．１）－０

ｆ′ｃｏ

－０．３

６．０ｆ１

２．９８８５４６８３２４７９８４

ｆｆ１１．６．３５

）－０３．５）－０２．２ｆ′ｆ′ｃｏｃｏ

８０３７７７８３７３９２

１０１８５９９１７９１７１

２７１４７６９２５６５８５

４２９１４０６９３７２９

７９２６７６６５７０２１

７７３４７５１２７１７２

８１４８７９２６７５８５

注：ｆ′ｃｓ为柱强度；ｆ′ｃｃ

为约束混凝土强度。２３．２　ＢＦＲＰ加固钢筋混凝土柱的强度验算

ＢＦＲＰ加固混凝土柱的强度模型参数均通过ＦＲＰ约束素混凝土柱得到，但是实际工程中常用的是ＦＲＰ约束钢筋混凝土柱。有关ＢＦＲＰ约束钢筋混凝土柱强度计算模型，目前还很少见。试验中，将混凝土的单轴抗压强度换成对比钢筋混凝土柱的轴压强度ｆ′ｃｓ，其他参数不变，得到ＢＦＲＰ约束钢筋混凝土的强度模型。经过计算得到各ＢＦＲＰ约束钢筋混凝土模型强度值与实验值如表３所示，其中，ＢＦＲＰ的强度值采用厂家提供的２１００ＭＰａ。　　由表３可见，Ｔｏｕｔａｎｊｉ模型值明显大于实验值，不适用。Ｓａｍａａｎ和Ｍｉｙａｕｃｈｉ以及Ｓａａｆｉ模型值与实验值相近，但均大于实验值。而Ｋａｒｂｈａｒｉ模型值与试验结果最接近，直径为２００ｍｍ的构件中强度理论值和实验值仅相差１

９％。Ｔｅｎｇ模型的计算值比实验值偏低，但应用上偏于安全［７］

。

３　结　论

（１）加固试件的极限荷载和极限应力较未加固试件均有不同程度的提高，且随着试件尺寸的增大，极限应力的提高值减小，但提高幅度增大，表现出明显的尺寸效应。

（２）ＢＦＲＰ约束钢筋混凝土试件的形变能力强于未加固试件，加固试件破坏后的强度大于未加固试件。

（

３）采用ＦＲＰ约束混凝土柱的强度模型对试验结果进行验算，结果发现当将原模型中的ｆ′ｃｏ换成实验中的对比柱强度ｆ′ｃｓ

时，Ｋａｒｂｈａｒｉ模型的计算值与试验值吻合较好，其他模型计算值与试验值的误差相对较大。

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（责任编辑　李燕文）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/chtj.html