FRP厚度和品種對約束UHPC軸壓性能的影響

鄧宗才

(北京工業大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

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FRP厚度和品種對約束UHPC軸壓性能的影響

鄧宗才

(北京工業大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

摘要：為了研究不同種類纖維增強聚合物(FRP)管約束超高性能混凝土(UHPC)的軸壓性能，對27個約束試件和3個未約束試件進行了軸壓試驗，測定了應力-應變曲線，探討了FRP種類、纖維布層數(3、5和7層)等對約束效果的影響。結果表明：試件強度主要與約束比有關，而極限應變與纖維布種類、約束比均有關；約束比增加，強度和極限應變增加；應力-應變曲線與Lam-Teng模型較為接近。基于試驗結果回歸得到了FRP約束UHPC試件的強度、極限應變預測公式，其預測精度較高。

關鍵詞：纖維增強聚合物；超高性能混凝土；約束；抗壓性能

超高性能混凝土(ultrahigh-performance concrete，UHPC)具有很高的強度和優異的耐久性，由于強度很高，脆性明顯。纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer，FRP)約束是改善UHPC柱變形能力、承載力和抗震性能的有效方法之一。過去對5層以下纖維布約束普通混凝土研究較多，建立了相應的本構模型[1-3]，但關于較多層數纖維布約束UHPC軸壓性能的研究鮮見報道。本文試驗研究了碳纖維布、芳綸纖維布、玻璃纖維布約束UHPC試件的軸壓性能，探討了纖維布層數對約束效果的影響。試驗發現FRP約束是改善UHPC變形能力的有效方法。在試驗基礎上，建立了強度和極限應變的預測公式，分析了3種常見FRP約束混凝土本構模型對于FRP約束UHPC的適用性問題。

1原材料及試驗方法

1.1試件及材料

共制作30個圓柱體試件，其中27個為FRP管約束UHPC試件，3個為無約束UHPC試件。UHPC圓柱體高度為200 mm，直徑為100 mm。FRP管采用纖維布纏繞加工而成，分別為芳綸纖維 (AFRP)、碳纖維(CFRP)和玻璃纖維布(GFRP)。纖維布厚度及其力學指標列于表1。纖維增強聚合物板軸拉試驗測得的力學指標列于表2。FRP管的纖維纏繞層數分別為3、5、7層，每種纖維布層數的FRP管約束UHPC 3個試件。試件編號見表3， 其中第一個字母為FRP品種，其后數字為纖維布層數，如A2代表2層芳綸纖維布管約束試件。

表1纖維布厚度及力學指標

Table 1The tensile mechanical parameters and thickness of fiber sheets

纖維布品種厚度/mm抗拉強度/MPa彈性模量/GPa延伸率/%碳纖維0.16736402401.70芳綸纖維0.19320001252.0玻璃纖維0.4361800555.3

表2　纖維增強聚合物板的力學指標

表3　試件編號

UHPC的組份及配合比見表4。其中水泥為PO.42.5硅酸鹽水泥，磨細高爐礦渣為S95，比表面積408 m2/kg。天然石英砂粒徑40～70目。聚羧酸高效減水劑，固體含量60%。鋼纖維為上海貝爾卡特有限公司生產的微細高強平直鋼纖維，直徑0.12 mm，長徑比66.7，抗拉強度大于2 850 MPa。

表4　UHPC質量配合比

1.2試件制作與養護

將攪拌均勻的UHPC混合料倒入內徑100 mm、高200 mm的PVC管中，在常溫下靜置3 d后，然后放入混凝土加速養護箱中養護2 d，養護溫度為80℃。之后用切割機切掉PVC外殼，并用打磨機打磨試件的2個端部，使試件2個端部平整光滑，便于施加軸心壓力。最后在纖維布上涂刷浸漬膠，將浸漬膠樹脂浸透的纖維布纏繞在混凝土圓柱體表面，纖維布搭接長度160 mm。將FRP管UHPC試件在常溫下放置10 d，然后開始軸壓試驗。

1.3 加載裝置與測試設備

在FRP管表面中部對稱粘貼4個應變片，分別測定環向和縱向應變。在試驗機承壓板上下分別安裝2個位移計和1個力的傳感器，分別量測試件豎向位移和荷載值。觀察加載過程中約束試件的破壞過程與形態。用3000 kN的電液伺服實驗機加載，加載速率110 kN/min。

2試驗結果及分析

2.1試件破壞特征

未約束UHPC試件的破壞過程為：加載初期，試件環向變形小，UHPC處于彈性階段。當加載至0.3Nu(Nu極限荷載)時，試件表面萌生縱向裂縫，荷載增加，裂縫不斷擴展；加載至0.75Nu時，縱向裂縫延伸至全試件高度，試件中部向外鼓出，環向變形增大；當加載至極限荷載時，由于鋼纖維橋聯作用，試件完整性較好，如圖1(a)所示。

約束試件過程為：加載初期，FRP布環向應變很小，約束作用甚小。隨著荷載增加，核心UHPC逐漸向外膨脹，FRP布約束作用逐漸被激活，此時聽到膠體“啪啪”的響聲。加載至0.9Nu時，FRP布中部橫向斷裂，并向上下端延伸，試件中部明顯外鼓，此時聽見較大的FRP管斷裂聲音，碳纖維、芳綸纖維布層數多時破壞響聲大。FRP布約束試件的破壞過程比未約束試件緩慢。約束試件破壞形態如圖1所示。

2.2 試驗結果

2.2.1 強度與極限應變

FRP管對UHPC的約束應力fr為

fr=2fjtj/D

(1)

式中:fj為FRP環向抗拉強度，tj為FRP管厚度，D為核心UHPC直徑。

圖1　試件破壞形態Fig.1　Typical failure mode of specimens

試件層數fr/MPa縱向應變環向應變抗壓強度/MPa約束比約束效率比UHPCN/AN/A0.00280.0006106.57N/AN/AC3336.160.00520.0035174.650.341.64C5560.270.00930.0040217.830.572.04C7784.380.01890.0105285.500.792.68A3325.260.00760.0058127.880.241.20A5542.110.01290.0066179.620.401.69A7758.950.02540.0084266.810.552.50G3323.630.00320.0038117.490.221.10G5539.390.00450.0074167.010.371.57G7755.150.01360.0079256.240.522.40

由表5可見，FRP約束UHPC顯著提高了圓柱體抗壓強度，纖維布層數越多，提高幅度越大。3、5、7層CFRP布約束試件比未約束試件抗壓強度分別提高63.88%、104.40%和167.90%；3、5、7層AFRP布約束試件抗壓強度分別提高20.0%、68.55%和150.36%；3、5、7層GFRP布約束試件抗壓強度分別提高10.25%、56.71%和140.44%。

2.2.2 應力-應變曲線

未約束UHPC試件變形曲線如圖2示，應力-應變曲線在達到峰值荷載之前幾乎呈直線上升，達到極限抗壓強度后，試件迅速喪失承載力，曲線下降很陡，呈脆性破壞。

圖2　未約束UHPC試件應力-應變曲線Fig.2　Average stress-strain cures for unconfined specimens

圖3為3種纖維布約束試件的軸壓應力-應變曲線。可見應力-應變曲線具有雙線性的特征，可分為3個變形階段：加載初期，變形曲線與未約束試件相似，UHPC橫向膨脹變形很小, FRP布約束作用未顯現出來；荷載再增大，核心區UHPC開始產生許多縱向裂縫，膨脹變形增大，FRP被逐漸激活；最后一個階段是破壞階段，FRP被完全激活，變形呈線性關系。文獻[4]研究了FRP管約束高強混凝土的強度和變形，發現FRP管對于高強混凝土極限變形改善作用不大。而FRP管約束UHPC對強度和變形均有明顯改善作用，這是由于鋼纖維增強UHPC具有明顯的橫向變形能力，使FRP管約束作用完全發揮出來。

3FRP約束混凝土本構模型

3.1 FRP約束混凝土的應力-應變關系模型

目前常用的約束混凝土本構模型有：Graybeal、Lam-Teng、Samaan模型等[5-7]。對這些典型模型預測曲線與試驗曲線均進行了比較。圖4是部分試件試驗曲線與理論曲線的比較。

圖3　不同層數纖維布約束UHPC應力-應變曲線Fig.3　Average stress-strain curves for specimens confined with different number fiber sheets

圖4　應力-應變試驗曲線與理論曲線比較Fig.4　Comparison between stress-strain models and test curves

由圖4可見，理論曲線與試驗曲線有較大差異。用擬合曲線的相對誤差值反映其預測精度，各理論模型擬合曲線的相對誤差值列于表6。Lam-Teng、Samaan和Graybeal模型預測曲線相對誤差依次為8.53%、20.31%和15.01%。Lam-Teng比Samaan、Graybeal模型預測曲線更接近實測曲線。已有模型是據FRP管約束普通混凝土試驗結果建立的，不完全合適于UHPC試件。

表6應力-應變模型的誤差值

Table 6 The average error of stress-train prediction model%

試件Samaan模型Lam-Teng模型Graybeal模型A316.3711.954.08A514.454.846.52A716.2913.8811.33C328.737.5813.27C521.754.8514.65C715.896.8521.51G318.157.8425.25G520.915.0219.38G730.2813.9219.08平均20.318.5315.01

3.2強度與極限應變預測公式

對試驗數據進行擬合后得到抗壓強度的公式為

(2)

已有的FRP約束混凝土極限應變模型大多采用以下形式：

(3)

若不分纖維布種類，回歸得到式(3)中的參數β和n，但預測精確度較差。經分析發現影響極限應變的因素不但與約束應力有關，且與纖維布種類密切相關，為提高預測精度，對每種FRP管約束試件分別回歸得到統計意義的公式見表7。

從表7可見， FRP約束UHPC軸向極限應變不但依賴于約束應力，還依賴于FRP管的種類；而約束試件的抗壓強度，主要與約束應力有關。試驗發現：AFRP、GFRP約束試件，當約束比大于0.4時，極限應變隨著約束比的提高顯著提高；約束比大于0.6時，CFRP約束試件極限應變隨著約束比的提高明顯提高。

此外，將Lam-Teng[6]極限應變預測式(4)與試驗值進行了回歸擬合，擬合結果列于表8。

(4)

表7　極限應變統計回歸公式

表8　Lam-Teng極限應變模型的回歸參數

4結論

1)FRP管約束UHPC圓柱體軸壓變形曲線，具有雙線性的特點。

2)FRP約束UHPC提高了強度和變形能力，特別是對極限應變的改善效果顯著。

3)FRP約束UHPC的極限應變受FRP種類影響較大，本文回歸得到了FRP管約束UHPC的極限應變計算公式，其預測精度較高。

4)與3個常用FRP約束混凝土本構模型進行對比后發現，Lam-Teng模型與實測應力-應變曲線最為接近，但目前已有模型是在FRP約束普通混凝土試驗結果的基礎上建立的，不完全適用于UHPC。

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Effects of thicknesses and types of fiber reinforced polymer tubes on the uniaxial compressive behaviors of confined UHPC specimen

DENG Zongcai

(The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

Abstract：In order to study the uniaxial compressive behavior of different types of fiber reinforced polymer(FRP) confined ultrahigh-performance concrete(UHPC)，27 FRP-confined UHPC specimens and 3 un-confined specimens were used for performing the uniaxial compressive tests. The stress-strain curves were obtained from the testes. The effects of FRP types and fiber sheets number on confinement effectiveness were analyzed. The test results show that the compressive strength of FRP-confined specimens mainly depends on the confinement ratios, but the ultimate strain not only depend on the confinement ratio, but also depend on the types of FRP. The compressive strength and ultimate strains increase with the confinement ratio. The Lam-Teng model represented the best fit for the stress-strain curves. Based on the test results, the new models for predicting the compressive strength and ultimate strain were proposed, and those models can more accurately predict the confinement responses of FRP-confined UHPC.

Keywords：fiber reinforced polymer; ultrahigh-performance concrete; confinement; compressive behavior

中圖分類號：TU375.3

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)02-0218-05

doi:10.11990/jheu.201409037

作者簡介：鄧宗才(1961-), 男, 教授, 博士生導師.通信作者：鄧宗才，E-mail: dengzc@bjut.edu.cn.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378032)；北京市自然科學基金資助項目(8142005).

收稿日期：2014-8-21.網絡出版日期：2015-12-15.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151215.1030.002.html