碳纖維約束混凝土配筋圓柱穩定性能研究

【摘 要】本文通過碳纖維約束圓形截面的鋼筋混凝土中長柱軸心受壓試驗，研究了長細比對穩定承載力的影響。結果表明:碳纖維約束混凝土配筋柱軸心受壓下的穩定系數較規范中同規格的普通鋼筋混凝土柱要小，螺旋配筋柱長細比(L/D)12以下可不計穩定系數影響的規定在該類柱中亦不再適用，提出了碳纖維約束混凝土軸心受壓柱的穩定系數計算公式，可供工程設計人員參考。

【關鍵詞】 CFRP;約束混凝土;軸心受壓柱;穩定系數

Stable bearing capacity study on the axial-compression reinforced concrete slendercircle columns wrapped with cfrp

Zhang Hong-mei，Yan Hong-feng

(School of Civil Engineering， Yanbian University Yanbian Jilin 133002)

【Abstract】By the axial compression tests of reinforced concrete slender columns wrapped with carbon fiber reinforced plastics， while the column has circle section， study slenderness influence on the stable bearing capacity of the column. Axial-compression tests on reinforced concrete slender columns wrapped with CFRP have shown that the stability coefficient of the reinforced concrete column wrapped with CFRP is much lower than RC column. The code in which the stability coefficient of RC concrete whose slenderness ratio(L/b) under 12 is not taken into account was not suitable to the reinforced concrete column wrapped with CFRP. At last， the simplified calculating formulas of axial-compression reinforced concrete column wrapped with CFRP was proposed. It can provide a reference for engineering designers.

【Key words】CFRP; Reinforced concrete; Axial compression column;The stability coefficient

1.引言

近年來，CFRP強約束混凝土短柱以其承載力高、延性好和施工方便等優點在實際工程中得到了較為廣泛的應用。國內外許多學者對這種加固方法進行了不少研究，但對于FRP加固混凝土中長柱穩定性能方面的研究工作開展的極少，文獻[1]對FRP管約束混凝土的穩定承載力、極限長細比等問題進行了討論，但鋼筋混凝土外包CFRP后的特性與其不盡相同。研究成果的貧乏不僅給相關規范、規程的編制帶來困難，同時也給CFRP加固混凝土柱技術的推廣應用設置了障礙。本文擬開展CFRP約束混凝土中長柱試驗研究，研究長細比對約束混凝土穩定承載力的影響，歸納穩定系數的計算公式，為今后進一步分析奠定基礎。

2. 試件設計及試驗方案

本文共設計了12根鋼筋混凝土圓柱，圓形截面直徑為200mm，縱筋采用HPB235，88，配筋率ρ=1.3%。箍筋統一采用退火的8#鐵線，端部加強箍筋采用6鋼筋，縱筋實測屈服強度為245N/mm2。柱的長寬比L/ D分別為3，5，8，10，12，14。混凝土強度等級C30，實測立方體抗壓強度fcu=32MPa。實測單位寬度纖維布破斷力為3650MPa。為了防止試件端部提前壓壞，試驗采用了文獻[2]的建議，在試件端布加纏了兩層50 mm寬的CFRP布。本次試驗的詳細內容可參見表1，試驗采用試驗室的5000KN液壓試驗機進行。為保證構件兩端鉸支，在構件上、下兩端設置球鉸，試驗裝置示意圖見圖2。

3. 試驗破壞現象及分析

3.1 試驗破壞現象。

對試驗的全過程觀測表明:(1)長細比(L/D)不大于5的柱子，大部分試件破壞時，CFRP布在較寬的范圍內被拉斷，柱的極限承載力和豎向、環向應變同時達到最大值，說明CFRP充分發揮了作用，使柱的承載力和延性均得到了較大的提高。(2)長細比(L/D)大于5的柱子，柱在加載初期就開始產生側向撓度，并且側向撓度隨著荷載的增加基本上呈線性增長，當荷載加至臨界荷載的70%以后，柱的撓度隨荷載開始偏離線性關系，當荷載將要達到極限荷載時，試件的側向撓度急劇增大，破壞時構件截面受壓較大側只有很少幾束碳纖維被拉斷，大部分均為發生斷裂，柱的豎向和環向應變均較小，說明CFRP未充分發揮作用。試件最終破壞時的狀態如圖1所示，仍能保持較完整的狀態。

3.2 穩定承載力(表1)。通過試驗數據整理可以看出:長細比是影響混凝土長柱承載力的主要因素。由表1可見，CFRP布約混凝土配筋中長柱的承載力隨著長細比(L / D)增加而不斷下降。長細比從3增加至14，柱Y-C30-1C-14-12承載力相對于柱Y-C30-1C-3-2承載力下降27%，但它與同規格普通鋼筋混凝土柱相比，承載力仍有較大提高。說明只要把長細比控制在一定范圍內，采用外包CFRP布加固混凝土軸壓中長柱仍然有效。例如Y-C30-1C-14-12，長細比L/D達到了14，其承載力與同規格普通鋼筋混凝土柱相比仍可提高62%。同時由表1可以看出，碳纖維約束混凝土配筋柱軸心受壓下的穩定系數較規范中同規格的普通鋼筋混凝土柱要小，螺旋配筋柱長細比(L/D)12以下可不計穩定系數影響的規定在該類柱中亦不再適用，參考文獻[3]的建議，重新給定穩定系數的計算公式。

注:由于柱在試驗過程中存在側向撓度，因此在柱1/2高度處的截面上應變是不均勻的，本表平均極限壓應變是指極限荷載下或接近極限荷載下測得該截面的平均應變，而截面最大壓應變和纖維最大拉應變指在極限荷載下測得的柱1/2高度處截面最大受壓邊緣的相應應變。

筋柱的穩定系數計算公式為:

φ=[1+0.054l0b(l0b-4.5)2]-1 (4.5 l0/D 14)

計算值和試驗值的對比見圖2，可見吻合較好。

4. 結論

4.1 鋼筋混凝土中長柱采用外包CFRP并能達到強約束程度，則加固后在提高穩定承載力、增加延性方面仍然有效，但隨柱長細比的增大，加固效果將逐步降低，但當長細比不大于14時，其穩定承載力仍比未包裹柱高62%(約束比ξ=0.196)以上。

4.2 CFRP強約束混凝土配筋柱軸心受壓下的穩定系數較同規格的普通鋼筋混凝土柱要小，螺旋配筋柱長細比(L/b)12以下可不計穩定系數影響的規定在該類柱中亦不再適用。

4.3 依據試驗結果，提出了碳纖維約束混凝土軸心受壓柱的穩定承載力計算公式，可供工程設計人員參考。

參考文獻

[1] Mirmiran. A， Shahawy.M， Beitleman.T. (2001). “Slenderness Limit For Hybrid FRP-Concrete Columns.” Journal of composite for construction ASCE， 5(1): 26～34

[2] 金熙男.軸對稱約束混凝土力學性能試驗研究.哈爾濱工業大學博士學位論文，2002，12

[3] 潘景龍. 胡忠君等. FRP強約束混凝土配筋柱承載力的試驗研究.工業建筑.2005.9. 24 ～28

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[文章編號]1619-2737(2010)03-22-37

[作者簡介]張鴻梅(1959-)，女，吉林延吉市人，碩士，副教授，碩士生導師，主要研究領域為結構的耐久性檢測與加固。顏宏峰(1980-)，男，吉林通化縣人，碩士研究生，主要研究領域為結構的耐久性檢測與加固。