FRP約束混凝土柱問題分析

摘要：FRP以其抗拉強度高、質量輕、耐腐蝕、易于加工等特點而倍受土木工程界的關注。本文從約束作用、應力一應變關系曲線、強度模型、計算模型、抗震、耐久性等方面闡述了FRP約束混凝土柱的發展現狀.討論了在FRP加固混凝土柱的研究中還沒有解決的尺寸效應問題.

關鍵詞：FRP，混凝土柱，加固

一.FRP對混凝土的約束作用

在對FRP加固軸壓混凝土柱的研究中發現，在加載初期，混凝土柱的性能受FRP約束的影響很小.隨著混凝土內部裂縫發展，混凝土柱的體積開始增大，使外包的FRP環向受拉，反過來環向受拉的FRP又限制混凝土柱的增大，對混凝土柱起到一個約束的作用，從而使柱處于三向受壓的狀態，混凝土柱的承載能力得到

提高，同時延性也可以有所增加

二.應力-應變關系模型

在對FRP加固混凝土柱的抗震設計中，需要可靠的應力應變關系模型.最早研究FRP應力應變關系曲線的是Fardis and Khalili，他們首先建立了這樣的假定：（1）FRP只承受拉力，不承受壓力；（2）FlIP變形和混凝土的變形相同.在這兩個假定條件下他們在1982年提出了公式

式中： -混凝土的壓應力

Ec-混凝土的彈性模量

-混凝土的應變

-混凝土峰值應力對應的應變

-約束混凝土的強度

這是第一個應力-應變關系模型.后來許多學者為了準確的擬合FRP約束混凝土的應力-應變關系曲線，提出了多種數學模型.但是由于不同學者試驗時所采用的纖維種類、纖維布厚度、粘結劑種類、構件截面形狀以及混凝土的性能、試件的尺寸等參數不同，導致了不同的模型計算出的結果相差很大.lam and Teng在2002年收集了大量學者的數據建立了一個應變數據庫，并結合自己的實驗擬合出一個模型.認為FRP約束混凝土的應力-應變曲線應該分為兩個階段

式中：E2-應力-應變曲線第二直線段的曲率

-應力.應變曲線轉折點的應變

-無約束混凝土的抗壓強度

該模型得到許多學者的認可，騰錦光推薦設計時使用該模型.

三.強度模型

在對FRP加固混凝土柱的設計當中還需要考慮FRP外包柱的強度提高程度，這就需要建立它的強度模型，最初這些模型是參考鋼約束混凝土的強度模型，但后來經試驗研究發現這些參考鋼約束混凝土而建立的強度模型，其結果是不安的，因為FRP材料沒有屈服階段，而且彈性模量比鋼材的低，變形比鋼材的要大.因此一些學者提出了針對FRP約束混凝土柱的強度模型，一般是都是采用如下形式：

式中： -混凝土柱加固前的強度

fcc-混凝土柱加固后的強度

fl-側向約束應力

kl一強度提高系數，關于k1的建議取值見表1

周長東在2003年通過試驗驗證認為Lain and Teng模型和試驗吻合程度很高.

四.FRP約束混凝土柱的極限強度與極限應變計算模型

式中 和 分別為約束混凝土柱與非約束混凝土柱的極限抗壓強度， 和 分別為約束混凝土柱與非約束混凝土柱的極限壓應變。

式中： 為混凝土的彈性模量； 為纖維復合材料斷裂時的應變。

式中： 為纖維復合材料彈性模量。

五.抗震性能、耐久性的研究

FRP約束混凝土具有良好的抗震約束性能.許多學者通過實驗研究和理論分析證明用FRP加固后混凝土柱的延性和抗剪能力都可以大幅度提高，其荷載.位移曲線，彎矩.曲率曲線的滯回圈圓潤飽滿.

由于FRP耐久性問題提出得比較晚，同時由于耐久性研究的周期比較長，雖然目前研究也取得了一定的進展但是還停留在實驗階段.天津大學做了CFRP在海水侵蝕環境中的侵蝕性試驗.以浸泡12小時再烘溫l2小時為一個循環.試驗結果顯示在酸堿鹽的侵蝕下FRP組合構件的破壞始自FRP與混凝土界面的粘結破壞.隨著循環次數的增加，FRP約束構件與未約束構件的強度均隨循環次數增加呈先降后升再降的變化過程，FRP加固構件耐海水腐蝕的性能明顯優于未加固的構件。

六.有待研究的問題

1 尺寸效應問題

材料的尺寸效應是指在脆性和準脆性材料當中，材料的力學性能不是一個常數而是隨著尺寸變化而變化的一個變量.如混凝土強度等級是根據直徑150mm的立方體試件的抗壓強度標準值確定的，如果采用邊長100mm的立方體試件或200mm的立方體試件的抗壓強度標準值則分別要乘以1.05和0.95的系數，這是

由于考慮了尺寸效應的的影響.不可否認，在一切準脆性和脆性的材料當中都存在尺寸效應.

目前對FRP約束混凝土柱已經進行了大量的試驗，但是由于試驗條件的限制，試驗用的構件通常是把實際構件按比例調整的模型，這種小尺寸構件的試驗數據對實際構件設計的指導意義如何還需要進行進一步的研究.

七.結語

FRP加固混凝土結構在土木工程領域中有著廣闊的應用前景.但是由于土木工程界對FRP的研究開始得比較晚，許多方面需要進一步的研究。目前FRP仍然是工程界研究的一個熱點.用FRP加固混凝土構件不但可以達到理想的加固效果，還可以節省成本。相信隨著研究的深人，FRP會在加固領域獲得更為廣闊的應用空間。

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