碳纖維約束與箍筋約束混凝土軸壓性能對比

摘要：針對箍筋約束與碳纖維約束混凝土軸心受壓力學性能，基于大量的軸心受壓試驗數據，分析了約束混凝土軸心受壓力學性能的主要影響因素，分別建立了箍筋約束與碳纖維約束混凝土軸心受壓時的峰值應力、峰值應變和極限應變的計算公式；對比分析結果表明，箍筋約束混凝土優勢在于低特征值段，碳纖維約束混凝土的性能在高特征值時將超過箍筋約束混凝土。

關鍵詞：約束混凝土；軸壓性能；配箍特征值；含纖特征值

中圖分類號：TU375.3

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0032-06

采用約束材料對混凝土施加約束可以有效提高混凝土強度和變形能力，提高構件的延性，改善其抗震性能。箍筋約束與碳纖維（CFRP）約束混凝土是工程中常見的2種形式，各國學者已對其軸心受壓力學性能進行了大量試驗研究。研究表明，不同約束形式對混凝土的約束效果各不相同，文獻[1]對箍筋約束混凝土的受力機理進行了研究，提出了考慮箍筋約束效應的方法，文獻[2，4，5-7]根據軸心受壓試驗結果分別建議了箍筋約束與碳纖維約束混凝土本構模型，文獻[8]根據約束效果的不同，提出了FRP約束混凝土分為強、弱約束的判別方法。目前，已有研究大多針對二者各自的軸壓性能，沒有將2種材料對混凝土的約束效果進行對比分析。筆者在大量試驗數據基礎上，通過理論分析對比了箍筋約束與碳纖維約束混凝土的軸心受壓力學性能，并評價了2種材料對混凝土的約束效果。

1箍筋約束與碳纖維約束的不同特點

1.1材料材性

碳纖維是一種脆性材料，彈性模量與鋼材相差不多；但其抗拉強度較高，一般約為普通強度箍筋的5～8倍。由于二者材料自身特性和構造方式的差異，造成箍筋約束與碳纖維約束混凝土的力學性能和約束效果各有其特點。

1.2約束混凝土受力性能和機理

箍筋配置在混凝土內部，可為單個箍筋，也可為各種形式的復合箍筋，除保護層混凝土不受約束外，箍筋所包圍的混凝土均受有不同程度的約束。碳纖維一般將混凝土包裹在內，包裹可以為單層或多層的連續包裹，也可為每隔一定間距包裹，包裹內的混凝土均受有不同程度的約束。圖1為箍筋約束與碳纖維約束混凝土軸心受壓應力應變關系的曲線^{[2，4-5，9]}，由圖可知，約束能明顯改善混凝土的受力性能，特別是應力應變曲線峰值點后的性能，且隨約束水平的提高下降段變得平緩；當約束水平很高時，曲線還會表現出一定的硬化現象。

箍筋與碳纖維約束混凝土的受力機理類似^[1]，由于拱效應（圖2）的存在，截面可分為弱約束區和強約束區2部分。約束效果與箍筋形式、間距、配箍率以及CFRP的包裹形式、層數、用量等有關。由于箍筋較碳纖維片材剛度大，沿橫截面箍筋的約束效果高于條帶碳纖維約束；全包碳纖維的試件沿縱向不存在弱約束區。

2約束混凝土軸心受壓力學性能的主要影響因素

試驗數據取自各國箍筋和碳纖維約束混凝土軸心受壓的試驗研究數據^[2-20]，試件數量共計126個，其中箍筋約束混凝土試件90個，碳纖維約束混凝土試件36個，所選的試驗數據不包括有預加軸力和部分參數不明確的試件。箍筋約束混凝土的主要影響因素包括箍筋強度、箍筋體積配箍率和混凝土強度。文獻[2，9，11，13]試件的參數考慮了上述3種因素的影響，箍筋形式包括矩形箍、菱形箍、井字箍、八角箍。文獻[3-4，16-18]試件考慮了箍筋體積配箍率、箍筋形式的影響，箍筋形式包括矩形箍、菱形箍、井字箍、十字箍、八角箍。混凝土強度等級的范圍為C20～C80，箍筋屈服強度的范圍為231～770 MPa；箍筋體積配箍率的范圍為0.88%～553%；配箍特征值的范圍為0.021 9～1.264。碳纖維約束混凝土的主要影響因素包括纖維強度、體積含纖率和混凝土強度。所有文獻的試件均考慮了體積含纖率的影響，文獻[6-7，10]試件包裹方式為全包，其他文獻中含有條帶包裹的形式；文獻[8]試件考慮了不同混凝土強度的影響。混凝土強度等級的范圍為C20～C80，CFRP抗拉強度的范圍為1 800～4 810 MPa，彈性模量的范圍為220～241 GPa，體積含纖率的范圍為0.11% ～1.45%，含纖特征值的范圍為0.052～1038。

2.1體積配箍率和含纖率

約束材料的用量對約束混凝土的力學性能有重要影響，筆者采用體積配箍率ρv和體積含纖率ρf來表征材料用量的大小。圖3為不同體積配箍率和含纖率對約束混凝土應力應變曲線的影響^{[3-4，5，10]}。文獻[3-4]所用試件的混凝土強度等級分別為C80和C50，考慮了體積配箍率和箍筋形式的影響；文獻[5，10]試件的混凝土強度等級分別為C30和C20，主要變化參數為纖維用量。由圖3可見，無論采用箍筋還是碳纖維作為約束材料，增加約束材料用量能夠較好的改善約束混凝土的強度和變形性能。隨著體積含箍（纖）率的增加，應力應變曲線后期軟化趨勢得到明顯改善，特別是對碳纖維約束混凝土，隨含纖率的增加，約束效果更明顯。

2.2約束材料強度

圖4為不同材料強度對箍筋（碳纖維）約束混凝土應力應變曲線的影響^{[2，5-7，11-12]}。文獻[11]試件的混凝土強度等級為C80，考慮了箍筋強度和箍筋形式的影響；文獻[5-7，12]中的試件具有相近的混凝土強度和纖維用量，可比較不同纖維強度的影響。由圖4可知，增加箍筋或碳纖維約束材料的強度能在一定程度上改善約束混凝土的受力性能，但提高效果不及增加材料用量明顯。實際上，高強材料強度優勢的發揮依賴于材料用量的大小，在保證合理的體積配箍率或含纖率的前提下，提高材料強度會有效的提高約束混凝土的力學性能。

3.3混凝土強度

圖5為不同混凝土強度對箍筋（碳纖維）約束混凝土應力應變曲線的影響^{[8-9，13-15]}。文獻[9，13]試件箍筋的強度分別為245、445 MPa，考慮了箍筋用量和混凝土強度的影響；文獻[8，14-15]試件碳纖維的強度分別為4 030、1 800 MPa，纖維用量和混凝土強度為主要參數。由圖5可知，隨著混凝土等級的提高，約束效果變弱，約束混凝土的強度和延性均有所降低。實際應用中對于強度等級較高的混凝土，必須同時增大材料用量和約束材料強度，才能保證達到理想的約束效果。

4約束效果的對比分析

按箍筋屈服強度計算的配箍特征值與按碳纖維的折減抗拉強度計算的含纖特征值，兩者都是無量綱量且在物理意義上是一致的。因此，可以特征值為參數對箍筋約束與碳纖維約束混凝土的受力性能進行對比分析。

4.1強度提高效果

圖10為箍筋約束與碳纖維約束混凝土強度的對比曲線。由圖可知，特征值在0～0.661范圍內，箍筋對混凝土的約束效果稍好于碳纖維約束；當特征值>0.661時，碳纖維對混凝土的約束效果明顯優于箍筋約束。

4.2變形性能提高效果

圖11為箍筋約束與碳纖維約束混凝土變形性能的對比曲線。由圖可見，對峰值應變來說，當特征值小于0.755時，箍筋約束混凝土峰值應變提高值優于碳纖維約束混凝土，當特征值大于0.755時，纖維約束混凝土峰值應變提高效果明顯超過箍筋約束混凝土。對極限應變來說，箍筋約束與碳纖維約束混凝土的約束效果二者基本相當。

通過上述對比分析可知，當特征值較低時，箍筋約束混凝土的力學性能稍高于碳纖維約束混凝土，當特征值較高時，碳纖維的約束效果明顯優于箍筋約束混凝土。原因在于碳纖維抗拉強度較高，在低特征值范圍內纖維用量與箍筋相差較多，影響了約束效應的發揮；在高特征值時，纖維用量提高，其約束效應得到充分發揮。

5結語

1）箍筋約束和碳纖維布約束的應力-應變曲線有較多相似的方面，但由于材料特性和構造方式的差異，二者具有不同受力變形特點。

2）箍筋約束混凝土和碳纖維約束混凝土都能很好的提高軸心受壓混凝土方柱強度和變形能力，并且強度和變形能力隨著配箍特征值和含纖特征值的提高而提高。

3）建立了箍筋約束混凝土和碳纖維約束混凝土峰值應力、峰值應變及極限應變的計算公式，公式簡便、易用，可用于混凝土結構的計算分析。

4）低特征值時箍筋約束混凝土的力學性能高于碳纖維約束混凝土，特征值增加到較高值時，碳纖維的約束效果超過箍筋約束混凝土。

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（編輯胡英奎）