GFRP加固混凝土受压柱的力学分析

GFRP加固混凝土受压圆柱的力学分析

概述：

试验研究和工程实践证明，使用外贴碳纤维布加固混凝土是一种施工方便，质量可靠的加固方法。使用这种方法加固的混凝土柱在轴向受压的时候，其核心部分的混凝土向外变形受到碳纤维布的约束，使得的混凝土处在三向受压的状态。在这种状态下，它的强度和延展性能都大幅度的提高。本文在以往学者的基础上，设计了碳纤维约束混凝土圆柱的轴心受压试验，根据试件的约束类型和混凝土类型将试件分为4组，通过对试验结果的分析分别对下面的几个问题进行了研究。

（1） 碳纤维布约束混凝土圆柱的位移-载荷曲线。

（2） 碳纤维布约束素混凝土柱和钢纤维混凝土柱的延性及破坏形貌对比。 （3）

实验概况

本章对4组，共12根柱子 1.CFRP碳纤维加固塑材

碳纤维布及胶的主要性能指标，采用相关厂家提供的技术参数。FRP片材的主要力学性能则通过拉伸试验测得。试验方法是把CFRP布剪裁成30毫米宽，250毫米长的矩形。然后两面都均匀的刷上胶。在制作好的试件中间粘贴应变片，测试加载过程中的应力-曲线。

2.混凝土试件

试验中的所有混凝土试件的强度等级都是C30，按照加固形式及混凝土类型把试件共分为4组。实验中使用水泥采用的是本试验采用的水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，细骨料采用山东莱芜河滩沙子，骨料采用济南章丘双山青石子，粒径为10～15mm，配合比为水泥：水：石子：沙子：=1：0.35：1.93：1.67。钢纤维采用上海真强纤维有限公司生产的端钩型钢丝纤维，规格尺寸分别为50mm、30mm、25mm,长径比为60，抗拉强度大于600MP。其中，钢纤维掺入比为4%，混凝土设计强度等级是C30，并采用位移传感器测量柱子的位移。采用静态应变仪测量横向纵向以及GFRP布缠绕方向的位移。试件标准尺寸采用直径D为18mm，高为 50mm的圆柱。 柱子参数如图下图所示GZ(1)～GZ(4)共4根，均为没有加固的钢纤维混凝土柱；SZ(1)～SZ(2)共2根，表示没有加固的素混凝土柱；JGZ(1)～JGZ(4)共4根，表示加固的钢纤维混凝土柱；而JSZ(1)～JSZ(2)表示加固的素混凝土柱；对于试件GZ及SZ布置5列应变片，其中每列应变片上中下各布置一个应变片；而对于JGZ及JSZ在横向纵向及缠绕方向各布置2个应变片。布置如图所示。

各个试件编号和参数

试件编号 试件个数 加固层数 约束类型 应变片个数 混凝土类型 GZ 4 0 无约束 15 钢纤维混凝土 SZ 2 0 无约束 15 素混凝土 JGZ 4 2 全约束 8 钢纤维混凝土 JSZ 2 2 全约束 8 素混凝土

上 中 下

应变片1（纵） 应变片4（横） 应变片7（纵） 应变片2（横） 应变片5（纵） 应变片8（横） 应变片3（横） 应变片6（纵） 应变片9（横）

应变片10（纵） 应变片13（纵） 应变片11（横） 应变片14（横） 应变片12（纵） 应变片15（横）

上 中 下

应变片1（斜）

---

--- 应变片4（纵）

应变片5（斜） 应变片6（横）

---

--- 应变片7（斜） 应变片12（纵）

应变片2（横） 应变片3（斜）

图1应变片的粘贴位置及尺寸图(单位cm)

施工方法步骤

毛滚子、小刷子、502胶水、塑料布、胶皮手套、水桶、组合胶水、电子秤、打磨机、直尺、剪子。

1， 实验前首先将混凝土上下表面打磨平整，在平整的上下表面涂上黄油，用塑料布将上下

表面包好。避免试件在受压时不是轴心受压。为了使FRP和混凝土二者粘结好，应在试件在龄期后对柱子的表面用砂纸进行打磨，打磨后用清水冲洗，然后晒干备用。 2， 将应变片按照设计好的位置粘贴，焊接并接线。

3， 加固之前，先用丙酮擦干净试件，再将不平处用环氧树脂底胶补平。 4， 用电子秤将主胶和固化胶按照1比2配比，搅拌均匀。然后用毛刷均匀涂刷混凝土表面。 5， 首先按照设计要求剪裁碳纤维布，将剪裁好的碳纤维布先按顺时针与水平方向成30°旋

转一周，而后按逆时针旋转一周。缠绕碳纤维布的时候要将碳纤维布拉紧，直把里面的气泡挤出来，反复用毛滚挤压使混凝土和CFRP充分接触。最后在柱子表面均匀刷一层保护胶。

6， 将制作好的试件放到阴暗干燥处，经过一周的养护后，在进行加载试验。

加载装置及方法

本试验在山东理工大学土木工程学院的试验室进行，加载装置采用2000KN的液压试验机，首先安装球形铰支座，然后把柱子放到压力机上和位移计，如图所示；加载过程采用《混凝土结构试验方法标准》（GB50152-92）的相关规定。加载之前，首先预加最大载荷估计值的15%，然后再卸载，待充分压实后重新开始加载，每50KN记录一次数据，等加载到接近最大承载力的时候，每20KN记录一次数据。 在柱子的两侧各放置一个百分表，每次加载后，相应的位移取两个百分表读数的平均值。保持慢速持续加载直到试件破坏。

、

加载装置图2

试验现象及柱子的破坏形式

试件SZ在加载的最初阶段外观并没有发生明显的变化，当载荷超过400KN的时候，试件开始出现微小的斜裂缝。继续加载，柱子上的混凝土逐渐剥落下来，这时柱子失去承载力而失效，此时的破坏表现为脆性破坏，破坏形式是倾斜的劈裂破坏；而对于GZ在加载的过程的前期和素混凝土柱的表现基本相似，而达到钢纤维混凝土的最大承载力的时候，由于

混凝土内部的钢纤维作用使得破坏过程变得缓慢，破坏形式虽然也是倾斜的劈裂破坏，但是从最后的破坏形貌来看，素混凝土在达到最大承载力的时候试件已经被完全压碎，而钢纤维柱比较完整，而它们的最大承载力相差却不大。

而对于JSZ及JGZ两种试件在加载初期表现的和未加固柱子无明显不同；而当压应力达到试件的极限抗压强度时，在柱子的保护胶层出现一道道白色的不明显的斜纹，当继续加载到的极限承载力时，试件的横向变形迅速增大，同时纤维布因断裂发生噼啪的响声，碳纤维和混凝土发生界面发生剥离，试件失效破坏。

从破坏的试件来看，纤维布撕裂的同时附带了许多混凝土碎石块。这说明混凝土和碳纤维布之间粘结的性非常好，两者可以较好的协同工作。而碳纤维加固柱的极限承载力较未加固混凝土柱的承载力提高3倍多，纵向和横向变形能力也有了较大的提高。从JSZ和JGZ的破坏形貌来看，都发生在柱子的端部发生了碳纤维剥离，这是由于碳纤维布在粘贴的时候预留的粘结长度不足造成的。

总之，加固的混凝土柱的破坏依旧属于脆性破坏，破坏时很突然。然而较未加固的混凝土柱已经有较高变形能力。

图3

加固混凝土破坏形貌

试验结果分析

整理试验中电测的数据，绘制出各个试件在不同载荷下的横向及纵向的应变关系，如图4所示；把同一个试件的横纵应变在同一幅图中表达，其中横向应变用正值表达，而纵向应变用负值表示；各个应变片的标号也在每幅图中标明。由图可以看出粘有CFRP的混凝土柱无论承载力和延性都有较大的提高。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

图4位移载荷曲线 (a)SZ1电测位移载荷曲线；（b）GZ1电测位移载荷曲线; (c) JSZ1电测位移载荷曲线;(d)JSZ2电测位移载荷曲线;(e)JGZ1电测位移载荷曲线(f);JGZ2电测位移

载荷曲线

试件GZ及SZ的位移-载荷曲线如图5所示

500450400350

载荷/KN

3002502001501005000

0.5

1

1.5位移/mm

2

2.5

3

(a) (b)

1600

1400120010008006004002000载荷/KN

(e) (f)

图5 各个试件的位移载荷曲线 (a)SZ1位移载荷曲线；（b）GZ1位移载荷曲线; (c) JSZ1位移载荷曲线;(d)JSZ2位移载荷曲线;(e)JGZ1位移载荷曲线(f);JGZ2位移载荷曲线 图5比较了不同试件的位移载荷曲线，由图可以较明显的看出碳纤维加固柱承载力及延性都比普通素混凝土柱有了很大程度的增加，未加固的柱子的横向及纵向的最大位移由16.4微米增加到181.6微米，而最大承载力由505KN增加到1767KN。CFRP加固柱的承载力较普通柱提高了3倍多；而延展性较普通柱子提高了10倍多。 由于试件还没有达到最大承载力的时候，应变片已经损坏，所以通过试验机测得的承载力不是混凝土柱的最大承载力。此外，从试验的结果可以知道，破坏时候的纤维布的应变及应力都小于其极限值，这是由于经过环氧树脂浸渍的纤维布会变脆，在试件受压直到破坏这一过程中，碳纤维布并没有充分发挥作用。 强度分析

增强白分比=（加固柱最大应力-对照柱最大应力）/对照柱最大应力；下表中均采用每类最大承载力的试件。

试件编号 SZ-1 GZ-1 JSZ-1 JGZ-1 纤维层数及包裹形

式 不包 不包 2层双向全包 2层双向全包

试验峰值应力（MPa） 增强效果（%）

18.67 -- 18.55 -- 55.04 194 64.87 249

碳纤维布约束混凝土圆柱的单轴受压强度模型主要有以下模型： Mandel强度模型：

7.94flfccfl

1.254 2. 2'''fcofcofco

式中，

'''

fcc是混凝土柱的抗压强度；fco是没有加固的混凝土柱子的抗压强度；fl是FRP

'''

对混凝土柱子的侧向约束力；

Miyauchi模型

'

fccfl =1+2.98''fcofco

'

Samaan模型

'

fcc'0.3fl =1+（6.0fl）''fcofco

'

Lam and Teng深入研究了各国学者关于FRP约束混凝土柱子的试验数据建立了

FRP约束混凝土的数据库，并且总结比较了各个模型，提出以下的强度模型公式：

'

fccfl =1+2''fcofco

'

侧向约束应力

fl，FRP极限强度ffrp的关系

'

虽然可能由于FRP约束比较弱的时候会出现脱落、端部开裂等情况，但是大多数FRP加

固试件都是以FRP被拉断为最终破坏条件，以下推导都是以FRP被拉断最为前提； 假设圆柱体受到周围FRP均匀的约束，其受力如下图所示；

FRP的侧向约束力由下式表示

'

fl=2f

frp

tfrp d

式中

fl为侧向约束力tfrp为FRP的总厚度；d为受约束混凝土的直径；

'

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pgx4.html