詹界東，　李　賽,　趙德望

(1.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)工程與防護工程高校重點實驗室,黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

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尺寸效應(yīng)對GFRP約束鋼筋混凝土方柱力學(xué)性能的影響

詹界東1,2，李賽1,2,趙德望1,2

(1.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)工程與防護工程高校重點實驗室,黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

GFRP布約束鋼筋混凝土柱是近幾年新興的一種加固形式。文中采用GFRP布纏繞包裹鋼筋混凝土方柱，討論尺寸效應(yīng)對GFRP約束鋼筋混凝土方柱力學(xué)性能的影響。通過靜力實驗方法考察不同截面尺寸試件的極限承載力。結(jié)果表明：在相同配筋率和體積配置率的情況下，幾何相似的小、中、大三個尺寸的試件，隨著試件的尺寸增大，GFRP布的約束效果越好，其相對于未約束試件承載力提高幅度越大。

GFRP布；鋼筋混凝土方柱；尺寸效應(yīng)；極限承載力

0　引　言

近幾年，GFRP布約束鋼筋混凝土柱成為一種新興加固形式。FRP布約束方形截面混凝土柱，其截面內(nèi)存在有效約束核心區(qū)和非有效約束區(qū)，對于鋼筋混凝土方形截面柱，應(yīng)力會集中在拐角處，造成試件在拐角處發(fā)生脆性破壞。采用GFRP布纏繞包裹鋼筋混凝土方柱，通過環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑使玻璃纖維布與鋼筋混凝土柱緊密粘接在一起，共同承受荷載[2]。GFRP布以其輕質(zhì)高強、較好的穩(wěn)定性、較高的彈性模量和抗拉強度被廣泛用于工程實際中,如美國Texas Hamilton飯店,部分柱子采用了FRP進行了維修加固,在日本，利用 FRP對一般建筑物和橋梁進行加固分別占到了總加固量的45%和40%[3]。其主要作用是約束核心混凝土柱的橫向變形，改變核心混凝土的破壞形態(tài)，提高混凝土柱抗剪承載力、延性及耗能能力[4]。作為主要縱向受力構(gòu)件的鋼筋混凝土柱處于三軸受力狀態(tài)，自身抗壓承載力也會得到提高[5]。筆者根據(jù)需要和實驗條件，借鑒了FRP布約束鋼筋混凝土柱的有關(guān)理論研究[6]，精心設(shè)計了三種尺寸的GFRP約束鋼筋混凝土柱試件及一組未纏布的鋼筋混凝土柱對比試件，進行GFRP布約束鋼筋混凝土方柱的軸壓實驗研究。

1　實驗方案

1.1實驗設(shè)計

實驗采用混凝土強度等級C30，試件長細比均為3，每組試件有小、中、大三個尺寸，分別為150 mm×150 mm×450 mm、200 mm×200 mm×600 mm、250 mm×250 mm×750 mm。有文獻指出，鋼筋混凝土方柱在截面邊長小于400 mm時，可以不做倒角處理，因此實驗所有方柱都未做倒角處理。試件分為A組和對比組O組，每組試件包括3個按3∶4∶5擴大尺寸的鋼筋混凝土方柱。A組試件玻璃纖維布纏繞層數(shù)按試件尺寸由小到大分別為3、4、5層，O組試件為對比組，未纏繞玻璃纖維布。

實驗采用大慶蒙西水泥有限公司生產(chǎn)的32.5級普通硅酸鹽水泥，各項物理力學(xué)性能指標均符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定，各性能指標數(shù)據(jù)如表1所示。粘貼玻璃纖維布所用結(jié)構(gòu)膠是用環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑、促進劑、固化劑按100∶2∶1比例配制而成，試件的編號和參數(shù)如表2所示。

表1　C30混凝土配合比

表2　試件編號和參數(shù)

1.2試件處理

混凝土試件的處理和玻璃纖維布的粘貼嚴格按照《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146:2003)和混凝土結(jié)構(gòu)加固規(guī)范(GB50367—2006)中的相關(guān)規(guī)定進行。鋼筋混凝土方柱粘貼GFRP布加固的步驟為：試件表面磨平，基面處理和清洗，配置粘接劑，粘接FRP布。鋼筋混凝土方柱粘貼完成后，置于陰涼干燥處，10℃左右室溫下放置一周，使其充分固化，再進行軸壓實驗[3]。制作完畢后的試件見圖1。

圖1　GFRP布加固后的鋼筋混凝土方柱

1.3測點布置和測量內(nèi)容

1.3.1測點布置

實驗測點主要為應(yīng)變測點和位移測點。A組試件的混凝土測點布置在每個側(cè)面的中心處，每個測點設(shè)置橫向和縱向電阻應(yīng)變片各一個，如圖2a；O組試件作為對比組，每個側(cè)面在橫向1/2、縱向的四等分點上共布置三個測點，每個測點設(shè)置橫向和縱向電阻應(yīng)變片各一個，如圖2b。A組試件的GFRP布測點布置在每個側(cè)面的橫向1/2、縱向四等分點中的兩個點上，每個測點設(shè)置橫向和縱向電阻應(yīng)變片各一個，如圖2c。

a　　　　　　b　　　　　c

1.3.2測量內(nèi)容

試件加載過程中主要測量的內(nèi)容有：

(1)通過壓力試驗機自帶的壓力傳感器測量試件的極限承載力。

(2)通過靜態(tài)應(yīng)變采集箱采集混凝土截面中部的縱向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變和GFRP布的軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變。

(3)通過百分表位移計的示數(shù)觀察試件的軸向位移和環(huán)向位移。

(4)實驗過程中觀察GFRP布的開裂情況和加固后混凝土柱的破壞形態(tài)[7-8]。

1.4實驗加載方案

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》(GB50081—2002)中的有關(guān)規(guī)定，在東北石油大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室完成整個實驗。加載裝置為吉林省金力試驗技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YAW-5000微機控制電液伺服壓力試驗機，試驗機凈空高度為10 m，最大加載能力為5 000 kN，采用計算機控制。

(1)預(yù)加載：在每次正式加載前，對試件進行預(yù)先試加載，預(yù)加載最大值為預(yù)估的試件極限承載力的10%，在預(yù)加載過程中，檢查位移計和電阻應(yīng)變箱的讀數(shù)是否正常，若不正常，查明原因改正，直到儀器全部讀數(shù)正常為止。

(2)正式加載：正式加載為分級單調(diào)加載，采用力控制的控制方式。以極限荷載的70%為分界點，在達到70%極限荷載之前，每級荷載為1/10的極限荷載；達到70%極限荷載之后，每級荷載為1/20的極限荷載。在達到實驗荷載預(yù)估值的90%以前，以2 kN/s的速率加載，隨后減慢加載速度，直至試件破壞[9]。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1試件破壞形態(tài)

實驗是一種重要的科學(xué)研究手段，通過實驗，可以觀察到試件從開始加載到最終破壞的整個階段的變化情況[10]。

A組實驗中，在加載初期，由于荷載很小，核心混凝土的橫向應(yīng)變很小，外包GFRP布尚未起約束作用，F(xiàn)RP布上的應(yīng)變值較小，主要由鋼筋混凝土柱承擔(dān)壓力，荷載與軸向位移呈線性變化，整個結(jié)構(gòu)處于彈性階段。在以上加載過程中，結(jié)構(gòu)外觀無明顯變化。繼續(xù)加載，混凝土上的應(yīng)變迅速增加，GFRP布上的應(yīng)變也開始增加，當(dāng)加載到接近未約束鋼筋混凝土柱的極限承載力時，GFRP布上的應(yīng)變迅速增大，結(jié)構(gòu)外表面局部GFRP布由于拉伸而變白，如圖3a。試件中部的纖維布鼓起，如圖3b，這是由于環(huán)向拉力的作用，GFRP布與混凝土柱出現(xiàn)剝離，在此加載過程中能聽見清脆的劈裂聲。繼續(xù)加載，混凝土上的應(yīng)變片部分失去讀數(shù)，GFRP布的應(yīng)變大幅度增大，并持續(xù)地出現(xiàn)纖維布脆裂的聲音，再繼續(xù)加載，試件破壞，如圖3c、d。試件破壞時可以發(fā)現(xiàn)，有的試件是混凝土中部被壓碎，中部FRP布斷裂；有的試件，是FRP布在角部發(fā)生斷裂，喪失約束能力。

a　　　　　　　　　　　b

c　　　　　　　　　　　d

2.2荷載應(yīng)變關(guān)系分析

A組試件荷載應(yīng)變關(guān)系曲線對比如圖4所示。

從試件的荷載-位移曲線中可以觀察到，在開始加載的很長一段時間，試件的環(huán)向位移基本為零，直到荷載加至相應(yīng)尺寸未約束試件的極限荷載時，試件的環(huán)向位移才開始逐漸發(fā)展，并且加載后期約束試件的環(huán)向位移與未約束試件相比也很小，這說明GFRP布對鋼筋混凝土柱起到了較強的約束作用，很好地限制了試件的橫向變形的發(fā)展。

2.3尺寸效應(yīng)對試件力學(xué)性能的影響分析

對比A組試件和對照組O組的極限承載力和極限抗壓強度，如表3所示。

a　A1

b　A2

c　A3

試件尺寸/mm×mm×mmGFRP布纏繞層數(shù)試件編號極限承載力/kN極限抗壓強度/MPa極限抗壓強度提高幅度/%150×150×4503A161727.4226.950O148621.6-200×200×6004A2101225.339.550O279518.13-250×250×7505A3150424.0650.940O399615.94-

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，兩組試件的極限抗壓強度均隨著尺寸的增大而降低，未用GFRP布纏繞約束的對照組O中的小、中、大尺寸試件的極限抗壓強度分別為21.6、18.13、15.94 MPa，即隨著尺寸的增大，極限抗壓強度分別降低了3.47和2.19 MPa。 GFRP布約束的A組試件小、中、大尺寸試件的極限抗壓強度分別為27.42、25.3、24.06 MPa，即隨著尺寸的增大，極限抗壓強度分別降低了2.12和1.24 MPa，這說明GFRP布的約束作用減輕了試件極限抗壓強度在一定范圍內(nèi)隨著尺寸的增大而降低的程度，即削弱了尺寸效應(yīng)的影響[11-12]。

將A、O兩組中的相同尺寸試件進行對比，我們可以發(fā)現(xiàn)，試件A1相對于同尺寸未約束試件O1極限抗壓強度提高了26.95%，試件A2相對于同尺寸的未約束試件O2極限抗壓強度提高了39.55%，試件A3相對于同尺寸的未約束試件O3極限抗壓強度提高了50.94%。這說明，在相同配筋率和體積配置率的情況下，幾何相似的小、中、大三個尺寸的試件，隨著試件的尺寸增大，GFRP布的約束效果越好，其相對于未約束試件承載力提高幅度越大。

3　實驗有限元分析

為了更好地驗證結(jié)論的正確性，根據(jù)GFRP布約束鋼筋混凝土方柱組合結(jié)構(gòu)的特征和受力特點，利用ANSYS軟件建立模型進行驗證。模型見圖5。

利用ANSYS模型，對兩組GFRP布約束鋼筋混凝土方柱進行數(shù)值模擬分析，得到每個試件的極限承載力、極限應(yīng)力、最大軸向位移，將這些指標和實驗所得數(shù)據(jù)進行對比，以此驗證建立的ANSYS模型的可靠性，進而對更多種工況下的GFRP布約束鋼筋混凝土方柱進行數(shù)值分析。文中選取了A、B兩組試件的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比。如表4所示。

a　核心混凝土

b　GFRP布

c　鋼筋

d　組合柱整體

Fig. 5GFRP constraint model of reinforced concrete square columns

表4　A組試件有限元結(jié)果與實驗結(jié)果對比

通過A組試件的實驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果的對比可以看出，極限承載力的誤差基本在10%左右，最大軸向位移的誤差均在10%以內(nèi)，由此可以看出，實驗結(jié)果與ANSYS模擬結(jié)果吻合較好。

4　結(jié)　論

(1) FRP布約束鋼筋混凝土方柱的軸壓實驗中，在加載初期，試件處于彈性階段，當(dāng)荷載加至接近同尺寸未約束試件的極限承載力時，GFRP布開始發(fā)揮約束作用，承擔(dān)主要的環(huán)向拉力。

(2) 將各組內(nèi)的三個試件進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，在幾何相似性和物理相似性原則的前提下，制作的三個試件的極限抗壓強度并不相同，說明對于幾何相似的小中大試件，在約束比相同的情況下存在尺寸效應(yīng)。GFRP布的約束作用可以減輕試件極限抗壓強度在一定范圍內(nèi)隨著尺寸的增大而降低的程度，即削弱了尺寸效應(yīng)的影響。隨著試件的尺寸增大，GFRP布的約束效果越好，其相對于未約束試件承載力提高幅度越大。

(3) 通過A、O三組試件的對比， GFRP布纏繞層數(shù)越多，試件的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象越不明顯。GFRP布的約束使鋼筋混凝土方柱的極限抗壓強度有明顯提高。在一定層數(shù)范圍內(nèi)，隨著纏繞層數(shù)的增加，極限抗壓強度也隨之增大。但是，極限抗壓強度并未隨著層數(shù)增加而呈線性變化，反而隨著層數(shù)的增加，提高的幅度降低。說明對于GFRP布約束鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，存在最優(yōu)約束比的問題。

[1]劉華新, 王衛(wèi)侖, 王學(xué)志, 等. GFRP用量及倒角半徑影響約束混凝土柱體的試驗研究[J]. 混凝土與水泥制品, 2012, 1(1): 21-24.

[2]王文煒. 加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[3]郭樟根, 曹雙寅. FRP與混凝土的粘結(jié)性能研究進展[J]. 特種結(jié)構(gòu), 2005, 22(2): 70-74．

[4]王作虎, 劉晶波, 杜修力. FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)的研究進展[J]. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報, 2011, 28(3)：49-55.

[5]張力文，孫卓，張俊平. FRP約束混凝土力學(xué)性能影響因素分析[J]. 材料導(dǎo)報，2009, 23(4): 53-58.

[6]劉華新，王丹丹，孫書榮. 碳纖維布加固量對混凝土棱柱體約束效果的試驗研究[J]. 混凝土與水泥制品，2008, 10(30): 40-43.

[7]歐陽煜，黃奕輝，錢在茲, 等. 玻璃纖維( GFRP) 片材約束混凝土的受力性能分析[J]. 土木工程學(xué)報. 2004, 37(3): 26-34.

[8]李靜, 錢稼茹, 蔣建彪. 纖維布約束混凝土矩形柱軸心受壓試驗及非線性有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2004, 25(2): 110-117.

[9]胡波, 王建國. FRP約束混凝土柱強度和極限應(yīng)變模型的比較[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2010, 31(5): 9-15.

[10]解永平, 賈磊. 鋼筋混凝土柱正截面承載力尺寸效應(yīng)研究[J]. 工業(yè)建筑, 2014, 44(10): 85-89.

[11]于清. FRP約束混凝土柱強度承載力計算[J]. 工業(yè)建筑, 2000, 10(30): 31-34.

[12]王震宇, 王代玉, 呂大剛, 等. GFRP 中等約束鋼筋混凝土方柱單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變模型[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2011, 32(4): 101-109.

(編輯徐巖)

Size effect on mechanical property of GFRP-confined reinforced concrete square columns

ZHANJiedong1,2，LISai1,2，ZHAODewang1,2

(1.Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention, Mitigation & Protection Engineering,Daqing 163318, China；2.School of Civil Engineering & Architecture， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China)

GFRP-confined reinforced concrete square column is an emerging form of reinforcement in recent years. This paper introduces the way reinforced concrete square columns are entwined and wrapped with GFRP jackets and discusses the influence of section size on the mechanical property of GFRP-confined reinforced concrete square columns. The study based on static test looks at the ultimate bearing capacity of the geometric similar test specimen in three different section sizes: small, medium and big. With the same reinforcement and volumetric configuration ratio, small, medium and large specimen of geometric similarity, could provide a better confined effect of GFRP jackets due tothe bigger sizes , suggesting a greater bearing capacity increase when compared with uncongfined specimen.

GFRP jackets; reinforced concrete square column; size effect; ultimate bearing capacity;

2016-04-26

國家自然科學(xué)基金項目(51308028)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12543023)

詹界東(1970-)，男，吉林省榆樹人，博士，教授，研究方向：結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)防護工程，E-mail：renmeng200960@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.017

TU378.2

2095-7262(2016)04-0433-06

A