CFRP 管約束混凝土柱軸壓力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

孔令鵬，單魯陽(yáng)

KONG Lingpeng，SHAN Luyang

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310014)

CFRP 即碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，是英文(carbon fiber reinforced polymer )的縮寫。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)于CFRP 材料的研究比較多［1-5］，但是關(guān)于CFRP管約束混凝土構(gòu)件的研究仍然處于初級(jí)階段。本試驗(yàn)主要針對(duì)CFRP 管約束混凝土柱的軸心受壓力學(xué)性能進(jìn)行研究，從纖維纏繞角度以及纖維纏繞層數(shù)兩個(gè)方面，分析其對(duì)CFRP 組合構(gòu)件力學(xué)性能的影響。

1 試件的制作

本試驗(yàn)共4 組18 個(gè)試件，系統(tǒng)地研究纖維布鋪設(shè)角度、管壁厚度對(duì)CFRP 管約束混凝土柱承載力的影響。材料性能指標(biāo)見(jiàn)表1、表2，試件編號(hào)見(jiàn)表3。

表1 C 纖維布性能指標(biāo)

表2 碳纖維復(fù)合浸漬粘貼結(jié)構(gòu)膠性能參數(shù)

表3 試件分組

2 測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集

CFRP 管約束混凝土柱在軸向荷載作用下發(fā)生變形，為了準(zhǔn)確地反映出CFRP 管變形特征，本試驗(yàn)在CFRP 管外側(cè)粘貼了應(yīng)變片，應(yīng)變片貼在CFRP管中部，間隔120°設(shè)置橫向和縱向兩個(gè)30 mm ×3 mm 規(guī)格的應(yīng)變片，共計(jì)6 個(gè)，測(cè)量CFRP 管中部的橫向和縱向的應(yīng)變;對(duì)于素混凝土柱僅在混凝土外側(cè)中部間隔120°布置橫向和縱向兩個(gè)應(yīng)變片，考慮到素混凝土柱外部的不均勻性，素混凝土柱外部采用50 mm×3 mm 的應(yīng)變片。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)破壞現(xiàn)象

在加載初期由于作用力較小，無(wú)明顯試驗(yàn)現(xiàn)象，每間隔100 kN 通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀器對(duì)正在加載試件的軸向和環(huán)向應(yīng)變進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。當(dāng)壓力試驗(yàn)機(jī)加載到極限荷載的70%左右時(shí)，有咝咝的纖維斷裂聲，用于固定應(yīng)變片的環(huán)氧樹脂開始脫落，此時(shí)每間隔50 kN 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。隨著荷載的逐漸增大，纖維斷裂聲更加明顯，局部環(huán)氧樹脂被彈飛。當(dāng)加載到極限荷載的90%左右時(shí)，纖維斷裂聲持續(xù)不斷，為詳細(xì)了解破壞前的變形特征，每間隔20 kN 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。當(dāng)加載到極限荷載時(shí)，試件中部突然炸裂，內(nèi)部混凝土飛濺出來(lái)，CFRP 管中間部分脫落。此時(shí)壓力試驗(yàn)機(jī)開始卸載，在計(jì)算機(jī)上顯示出試件的極限承載力和極限壓強(qiáng)，詳細(xì)破壞現(xiàn)象見(jiàn)圖1。

圖1 試件破壞現(xiàn)象

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 纖維纏繞角度的影響

隨著纖維纏繞角度的變化組合構(gòu)件承載力隨之變化的主要原因在于，纖維管對(duì)內(nèi)部核心區(qū)混凝土的約束作用發(fā)生了改變，當(dāng)纖維纏繞角度從0°～30°變化時(shí)，纖維受力沿水平和垂直方向分解，由于纖維只能承受拉力而不能承受壓力，所以不考慮纖維軸向受壓，且纖維的極限受拉承載力一定，則沿水平方向分量必定小于0°時(shí)纖維對(duì)內(nèi)部混凝土的約束。當(dāng)纏繞角度較小時(shí)水平方向分量相比0°時(shí)改變很小，隨著纖維纏繞角度的加大，水平方向的約束力明顯減少，承載力持續(xù)下降。本實(shí)驗(yàn)中研究纖維纏繞角度為0°、15°和30°的構(gòu)件，其中纖維纏繞角度為0°時(shí)承載力最大，纖維纏繞角度為15°的構(gòu)件次之，纖維纏繞角度為30°的構(gòu)件最小。見(jiàn)圖2、表4。

圖2 纖維纏繞角度荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

表4 纖維纏繞角度對(duì)極限承載力影響

3.2.2 纖維纏繞層數(shù)的影響

纖維纏繞層數(shù)在加載初期對(duì)組合構(gòu)件的影響很小，當(dāng)環(huán)向、軸向應(yīng)變超過(guò)混凝土峰值應(yīng)變后，三組構(gòu)件的應(yīng)變變化趨勢(shì)出現(xiàn)差異。見(jiàn)圖3。應(yīng)變相同條件下ZⅡ-3 構(gòu)件需要的力最大，ZⅡ-2 構(gòu)件次之，ZⅡ-1 構(gòu)件所需的力最小，這說(shuō)明隨著纖維纏繞層數(shù)的增加組合構(gòu)件的剛度增大。變形減小，從表5中我們還可知道組合構(gòu)件的軸向極限受壓承載力隨著纖維纏繞層數(shù)的增加而增大。

圖3 纖維纏繞層數(shù)荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

表5 纖維纏繞層數(shù)對(duì)極限承載力影響

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)可得各組構(gòu)件的極限承載力，由此我們可以得出如下結(jié)論:

(1)CFRP 管中纖維層數(shù)為1～3 層時(shí)隨著纖維纏繞層數(shù)的增加，CFRP 組合構(gòu)件的承載力不斷提高，單層纖維強(qiáng)度提高效率最高。

(2)CFRP 管中纖維纏繞角度為0°～30°時(shí)隨著纖維纏繞角度的增加，組合構(gòu)件的承載力逐漸減小，本試驗(yàn)中纖維纏繞角度為0°時(shí)組合構(gòu)件承載力提高幅度最大。

［1]Lam，Teng J G. Design-oriented stress-strain model for FRP-confined concrete［J］. Construction and Building Material，2003，17(6/7):471 -489.

［2]Xiao Y，Wu H. Compressive behavior of concrete cylinders confined by carbon fiber composite jackets［J］.Journal of Materials In Civil Engineering，2000，118(5):139 -146.

［3]張東興，黃龍男，王榮國(guó)，等.玻璃鋼管混凝土柱力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33(1):73 -76.

［4]李杰，薛元德.FRP 管混凝土組合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究［J］. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2004(6):7 -9.

［5]魯國(guó)昌.FRP 管約束混凝土軸壓性能研究［D］. 北京:清華大學(xué)，2005.