FRP管約束混凝土柱的應用現狀及研究方法分析

摘要：在實際工程應用中，FRP管和混凝土往往是兩者共同承受豎向荷載的，這一點不同于FRP布約束混凝土柱。通過力學分析，在現有的FRP約束混凝土模型基礎上，建立一種FRP管在雙向受力狀態下確定FRP管約束混凝土軸壓模型的分析方法，可以得到核心混凝土應力、FRP管應力、約束應力和約束模量隨軸向應變增長的發展變化情況。

關鍵詞：FRP 模型 雙向受力 數學回歸法 應力——應變關系

1 FRP在土木工程中的應用

纖維增強塑料(Fiber Reinforced Polymer，簡稱為FRP)是由連續纖維與樹脂基體按一定比例混合并經過一定工藝復合形成的高性能新型材料。

根據復合材料中增強材料的形狀，可以分為顆粒增強復合材料、層合復合材料和纖維增強復合材料三種，FRP只是其中的一種。而FRP中的基體種類有：樹脂基體、金屬基體、陶瓷基體和碳素基體；纖維種類有：玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維（包括碳化硅纖維和氧化鋁纖維）、聚烯烴纖維、PBO有機纖維以及金屬纖維。組分不同，FRP的性能會有很大的差別。目前結構工程中常用的FRP材料主要是樹脂基體的玻璃纖維（GFRP）、碳纖維（CFRP）和芳綸纖維（AFRP）。各種FRP材料的力學性能參數變化范圍很大，因此在工程中有很大的靈活性，具有可設計性。

FRP材料從20世紀40年代問世以來，在航空航天等領域已有多年的應用歷史，其優異的性能已經得到廣泛認同，但由于價格昂貴而限制了它在土木工程中的應用。近年來，采用FRP對混凝土構件的受彎、受剪和抗震加固等方面進行了較多的試驗研究，并在航天、航空、船舶、汽車、化工、醫學和機械等工業領域取得了廣泛的應用。世界各地對基礎設施加固、修復和改造的巨大需求，以及FRP材料材料輕且薄、高強高效、施工便捷、可設計性強、抗疲勞、耐腐蝕、結構尺寸穩定等優點是該項技術得以迅速發展的兩個主要原因。另外，FRP材料價格的持續下降也促進了該項技術的推廣。

2 FRP管約束混凝土柱的應用現狀

早在1906年，Considere就認為作用在混凝土周圍的側向應力對其強度和變形存在有益影響。自此以后，進一步的研究（如Richart等）更加確定了這個提法。在軸向荷載的作用下，混凝土的側向膨脹如果受到有效的約束，那么混凝土的抗壓強度和變形能力均可得到明顯的提高。

FRP管約束混凝土柱（如圖1）是將混凝土澆入預制的FRP管中形成的FRP管混凝土組合柱。FRP管對內部混凝土起約束作用， 并兼作模板，可以極大地提高混凝土的強度和抗變形能力，同時混凝土也可防止FRP管的屈曲破壞。FRP 管混凝土受力性能好，施工方便，并具有很好的耐腐蝕性，優勢非常明顯，因此在結構工程中得到較廣泛的應用。

FRP管約束混凝土構件，是FRP在土木工程中應用的一個研究的重點，并具有樂觀的應用前景。最近l0多年來，世界各國學者對于FRP管混凝土的研究進行得比較深入。FRP管約束混凝土可以用作樁、柱、橋墩以及桿系結構中的構件。FRP管約束混凝土構件是一種非常合理的結構構件，首先由于核心混凝土的存在，緩解了FRP管這種薄壁構件的屈曲穩定問題，同時由于FRP管的約束，使核心混凝土處于三向受力狀態，提高了強度和延性。此外，FRP管可以充當模板，提高施工速度。由于FRP管的耐腐蝕性，FRP管混凝土構件可望用在鹽度大、濕度高等不利環境下，從而解決普通混凝土構件和鋼管混凝土構件的腐蝕問題。

正是由于FRP通過有效約束混凝土的側向膨脹變形可以提高混凝土柱的強度和延性，近十多年來FRP已廣泛應用于加固鋼筋混凝土柱或橋墩。但現在FRP約束混凝土的基本理論研究工作，國內外都滯后于其實踐應用推廣的程度。目前關于FRP加固、修復混凝土柱或橋墩的設計工作大多數停留在依據相關試驗數據、類似鋼管約束混凝土機理以及經驗基礎上完成的，這是一種不科學甚至不是很安全的措施，故非常有必要對FRP管約束混凝土的應力、應變模型以及FRP管混凝土受壓性能等—些基本理論問題加以研究。

3 FRP管約束混凝土柱的研究方法

目前關于FRP約束混凝土的研究已經比較多了，但大都是針對FRP布約束混凝土。在這種情況下，纖維主要沿環向，軸向的強度和模量都比較低，所以不考慮軸向受力對環向剛度和強度的影響。而在實際工程應用中，FRP管和混凝土往往是兩者共同承受豎向荷載的，這一點不同于FRP布約束混凝土柱。

通過力學分析，在現有的FRP約束混凝土模型基礎上，建立一種FRP管在雙向受力狀態下確定FRP管約束混凝土軸壓模型的分析方法，可以得到核心混凝土應力、FRP管應力、約束應力和約束模量隨軸向應變增長的發展變化情況。

要深入了解FRP約束混凝土構件的性能，制定出合適的承載力計算方法，明確其應力應變關系模型是關鍵。然而，由于受多種因素的影響，很難獲得精確的應力應變曲線模型，這些因素包括混凝土的性能(抗壓強度，彈性模量，泊松比)、纖維復合材料性能(抗拉強度，彈性模量)、試件的尺寸以及截面的幾何形狀(圓形，正方形，矩形)等。

研究FRP約束混凝土構件的力學性能時，把兩種材料分開計算，很不方便。為簡化設計，可以參照“鋼管混凝土統一”理論”。 在“鋼管混凝土統一理論”這一成果的啟發下，首先把FPR混凝土視為統一整體，一種新型組合材料，即把它看成一種單一材料來研究其組合性能，從而使設計工作大為簡化。然而，由于FRP是線彈性材料，其約束性能與箍筋、鋼管等約束有明顯區別。已有的箍筋或鋼管約束混凝土圓柱的應力應變關系模型不能直接用于FRP約束。

因此，要在總結已有研究成果和提出設計方法的基礎上，根據FRP和混凝土兩種材料的性能，運用ANSYS軟件，用數學回歸法統一出FRP約束混凝土構件的應力——應變關系公式。在迭代過程中，計算結果通過大量實驗數據進行驗證。公式中包含的參數有：混凝土強度，截面尺寸，FRP材料種類，強度，厚度等，從而得到這些參數對FRP約束混凝土構件力學性能的影響。最終通過應力——應變關系公式，繪制應力——應變曲線。

在研究工作的基礎上可進一步將該應力——應變關系計算方法應用于壓彎構件的纖維模型計算中去。此外根據等效約束的原則，還可將其推廣應用于矩形截面的情況。