CFRP約束矩形截面混凝土柱

周紹艷 劉泓睿 夏培炎 周揚揚

摘要：將簡化結構柱為300mm試塊，實驗對象：30個碳纖維布（CFRP）包裹混凝土構件;試驗：單軸受壓試驗;控制變量：應變速率、構件截面長寬比、倒角半徑;實驗結果：CFRP約束混凝土的應力-應變曲線和CFRP布的應力-應變曲線在不同控制變量下的變化趨勢。

Abstract： The simplified structural column is a 300mm test block. The experimental object： 30 carbon fiber cloth （CFRP） wrapped concrete members; test： uniaxial compression test; control variables： strain rate， component section aspect ratio， chamfer radius; experiment results： the change trends of stress-strain curve of CFRP-constrained concrete and the stress-strain curve of CFRP cloth under different control variables.

關鍵詞：CFRP約束混凝土試塊;截面長寬比;倒角半徑;應變速率

Key words： CFRP confined concrete test block;section aspect ratio;chamfer radius;strain rate

中圖分類號：TU375.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0120-03

0? 引言

CFRP約束混凝土柱在單軸受壓實驗中，混凝土在荷載作用下發生橫向變形，橫向截面開始擴張，對CFRP布產生膨脹的應力，而CFRP布為了抵抗膨脹而產生拉伸應力來約束混凝土的側向變形，從而提高混凝土的抗剪切變形的能力。此時CFRP布產生的是反環向拉伸應力，所以構件破壞將會是CFRP布斷裂為主。

1? 試驗

本實驗是研究CFRP約束混凝土柱在單軸受壓試驗下不同加載速率的試驗線現象，以及分析CFRP約束混凝土的應力-應變曲線和CFRP布的應力-應變曲線，試驗混凝土強度等級選為C30，截面單取方形，構件一律采用CFRP布包裹，控制外包纖維布類型、CFRP布包裹層數、倒角半徑、試件尺寸。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）要求，本實驗構件尺寸選擇為300×150×150mm3棱柱體，截面尺寸選取三種長寬比h/b=1.0、1.25、1.5。《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2013）要求，構件轉角處曲率半徑應大于或者等于20mm。本試驗采取尺寸為40mm、50mm和70mm的倒角半徑。

按照常規混凝土單軸受壓試驗的應力速率控制，本試驗采用三種不同應變速率：2.810-5/s、2.810-4/s和2.810-3/s，分別對應模擬：準靜態荷載、一般地震荷載以及劇烈地震荷載。

1.1 材料選用和技術性能

①混凝土：普通硅酸鹽水泥，標號為42.5。

②水：拌合水（取自自來水）。

③粗骨料：碎石，平均粒徑15mm。

④細骨料：天然河沙（中砂）。

⑤CFRP布：日本東麗公司生產，型號是ut70×30，其基本性能見表1。

⑥粘結劑：上海三悠公司生產的CFRP布專用環氧樹脂。

⑦應變片：電阻應變片，50mm×5mm，益陽市赫山區廣測電子有限公司生產。

1.2 配合比

混凝土的強度等級為C30，據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB50204-2015）以及《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55—2011）等相關國內使用規范，混凝土配合比：混凝土強度等級：水/;水泥/;石頭/;沙子/。

1.3 試驗方法

試驗采用素混凝土圓柱（150mm×300mm）6個，F1組CFRP約束混凝土方柱（150mm×150mm×300mm，倒角半徑為40mm）6個;F2組CFRP約束混凝土方柱（150mm×150mm×300mm，倒角半徑為50mm）6個;F3組CFRP約束混凝土方柱（150mm×150mm×300mm，倒角半徑為70mm）6個;F4組CFRP（150mm×187mm×300mm，倒角半徑為50mm）6個，F5組CFRP約束混凝土方柱（150mm×225mm×300mm，倒角半徑為50mm）6個，試件統一采用CFRP布進行包裹。采用位移加載的加載方式，加載速率分別為8.4×10-5mm/s、8.4×10-4mm/s、8.4×10-3mm/s。

2? CFRP約束混凝土柱試驗

2.1 試驗現象

F1組的搭接長度：150mm，倒角半徑：40mm，采用CFRP單層包裹; F2組、F4組和F5組的搭接長度：150mm，倒角半徑：50mm，采用CFRP單層包裹，碳纖維約束混凝土柱斷裂的斷口隨著倒角半徑的增加呈現出由整齊到不再整齊，并且陸續出現多個斷口，位置不單一;F3組的搭接長度150mm：，倒角半徑：70mm，采用CFRP層包裹，碳纖維約束混凝土柱斷裂的斷口隨著倒角半徑的增加呈現出由整齊到不再整齊，并且陸續出現多個斷口，位置不單一。研究發現方柱的σ-ε曲線區別于正方形柱的，當方柱塑性變形階段后其σ-ε曲線呈現下降趨勢，此時碳纖維布噼啪作響，有拉伸，欲撕裂的現象。

2.2? 靜態加載試驗現象

CFRP約束混凝土的靜態性能（其加載速率為0.0084mm/s）試驗試件總共10個。當初始加載時，發現CFRP布應力-應變曲線為直線，混凝土與CFRP布的橫向變形較小，試件的外觀變化不明顯;當荷載達到900kn左右時，試件開始進入彈塑性階段。然后，應力-應變曲線的斜率逐漸減小，達到峰值后減小到0，因為CFRP布被包裹在外面，當達到軸時，在應力峰值處沒有明顯的現象;在達到應力峰值后，有CFRP布撕裂的聲音。短暫的聲響后，又恢復平靜，承載力開始迅速下降;當承載力下降到應力峰值的85%時，應力值保持在這個水平上并向下浮動;當接近破壞時，可以清楚地聽到局部的聲音。有碳纖維線連續撕裂的聲音，持續幾秒鐘，響亮而清晰;最后一次破壞時，也有響亮的聲音，中間的碳纖維布完全開裂剝落并延伸到兩端，還有一點混凝土碎片飛出，此時，承載力直線下降至0，試塊損壞。可見，試件內部的部分混凝土被壓碎成小塊或粉末。

2.3 動態加載試驗現象

CFRP約束混凝土的動態性能（加載速率為0.084mm/s和0.84mm/s）用20個實驗試件進行測試。試驗期間快速加載試驗的破壞過程和靜態加載試驗的破壞過程比較相似，但是試件破壞更加突然是由加載速率所造成，因此破壞后試件產生的能量更加巨大，伴隨著破壞前CFRP密集且響亮的撕裂聲和破壞后更加巨大的破壞聲充分體現了這一實驗現象，破壞時的實驗試件有著混凝土濺出的現象。破壞后的實驗試件CFRP被撕裂成多股纖維，快速加載時實驗試件呈椎體狀，當臨近破壞時可以用肉眼看到試件中部膨脹，由于纖維絲被劇烈拉伸而產生發白的現象。在高應變速率實驗狀態下試塊內部的混凝土進一步被破碎，幾乎在高應變速率加載下的全部試件從實驗支架上取出后全部都散成多段，導致試件無法完整取出。

3? 結語

對30個CFRP約束混凝土方柱進行較為完整軸壓試驗，同時對CFRP材料的性質進行試驗研究和理論分析。在進行CFRP材料試驗中，脆性斷裂是CFRP的破壞主要表現形式，在拉伸CFRP材料過程中線彈性特征為主要表現明顯。約束柱在進行軸壓試驗時，在倒角處有多數試塊發生破壞，伴隨著巨大爆破聲試件均被破壞。最后實驗結束通過對破壞形式的統計，角部破壞和混合破壞是此次試驗的主要破壞形式，這表明了約束柱一般在角部存在薄弱點。

根據試驗結果，約束柱的抗壓強度與倒角半徑和應變速率成正比增加，約束柱的抗壓強度與截面長寬比成反比，當實驗加載速率每增加10倍時，CFRP約束混凝土的極限抗壓強度大約呈現8%-15%上升趨勢;根據試驗的曲線圖表，由于不同的試驗倒角半徑和試驗截面長寬比，導致出現充分約束和不充分約束兩種情況的約束柱應力應變曲線，根據實驗結果說明混凝土抗壓強度以及峰值應變能力提升效果減弱是由不充分約束導致的。

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