摘要：FRP（Fiber Reinforced Plastics/Polymers）约束混凝土是一种十分有市场发展前景的复合材料，但目前国内外针对FRP约束混凝土受压性能的研究较少。本文在前人所做关于FRP约束混凝土及FRP-横向钢筋复合约束混凝土在静载作用下的力学性能研究及FRP约束混凝土、钢筋混凝土基本力学性能基础上，采用压力机对GFRP-螺旋箍筋复合约束混凝土的静载力学性能做了试验研究，同时提出了GFRP-螺旋箍筋复合约束混凝土在轴向静载下的理论模型。
关键词：FRP；GFRP套管；螺旋箍筋；复合约束；静载试验；理论模型
引言
在混凝土横向施加足够的约束，可以大大提高其强度和延性[1]。对比单一材料约束混凝土，复合约束混凝土往往表现出更高的强度和延性，更优的抗震和抗冲击性能。目前针对复合约束混凝土进行的试验和理论研究大多采用CFRP进行[2-12]，但因GFRP对比CFRP具有更高的延伸率和更优的绝缘性能，故GFRP与钢材的协同工作要比CFRP更优。本文提出了一种利用GFRP套管与螺旋箍筋组成的复合约束套管，将复合约束套管作为模板浇筑混凝土，从而得到GFRP-螺旋箍筋复合约束混凝土。
为了研究GFRP-螺旋箍筋复合约束混凝土在轴向静载作用下的受力性能，本文设计了12个圆柱体试件进行轴向静载试验，基于试验结果对GFRP-螺旋箍筋复合约束混凝土在轴向静载作用下的受力性能进行了分析。
1试件设计与参数
本试验共设计了12个复合约束混凝土圆柱试件，试验变量包括GFRP套管中GFRP层数（2和3层）和螺旋箍筋体积配筋率（1.5%和3%）。静载试验的试件编号由两部分组成，第一部分代表GFRP包裹的层数，即P2和P3分别代表包裹2和3层GFRP；第二部分代表螺旋箍筋的体积配筋率，即S1和S2分别代表螺旋箍筋体积配筋率为3%和1.5%。试件参数详见表1。
2材性试验
2.1玻璃纤维布GFRP
本文所用GFRP材料产商为上海中材科技有限公司，GFRP布单层厚度为0.436mm，单向布。GFRP材性试验主要是通过单向拉伸试验获得其弹性模量、抗拉强度和抗拉极限应变，试件的制作及试验方法依据ASTM D3039-M08[13]进行，试件如图1所示。
试验在湖南大学材料实验室利用万能试验机进行，如图2所示。试验过程大概包括仪器调试、试件安装定位、预加载和正式加载几部分，正式加载速率采用0.05mm/min。加载过程中GFRP试件随着荷载的增大轴向拉伸变形不断增大，当荷载接近24.2KN后，开始出现断裂声，随之试件表面有因GFRP断裂产生的碎屑出现，达到这一荷载后，试件突然断裂，5个试件的试验结果取平均值后分别为：弹性模量60.8 GPa，抗拉强度967 MPa，抗拉极限应变0.016%。
2.2静载试验概况
此次静载试验共有12个复合约束混凝土试件以及5个素混凝土试件，试验结果取相同参数试件的平均值。试验利用1000t刚性压力试验机进行，试件及加载装置见图3。
试验按照《混凝土结构试验方法标准》进行。试验前，对试件进行几何对中和物理对中，调试采集仪器。正式加载采用分级加载，具体为：每一级荷载为预算极限荷载的5%，持续2分钟，接近峰值荷载后采用连续加载。静载试验主要需要得到的数据包括GFRP表面的横向及竖向应变、螺旋箍筋的受拉应变及试件的应力和竖向变形。GFRP管表面的竖向及横向应变通过电阻应变片测量，试件的变形通过仪器四角的四个电子位移计来测量，试件应力则通过仪器的加载力和试件横截面积计算得出。
试件典型破坏形态如图4所示。素混凝土试件的破坏呈脆性，在接近其抗压强度时有明显裂缝发展，而复合约束混凝土试件在接近破坏时变形明显，有明显的GFRP被拉断的声音，与CFRP约束混凝土不同[4]，GFRP拉断并不是瞬间的，复合约束混凝土试件破坏也没有巨大的声响，随着GFRP逐渐被拉断，有部分混凝土从拉断处流出，可以判断核心混凝土裂缝发展较完全，且GFRP被拉断后，核心混凝土在螺旋箍筋的约束作用下仍保持较好的整体性，试件仍可继续承载，直到螺旋箍筋被拉断或核心混凝土被完全压碎，试件丧失承载力。值得提出的是，螺旋箍筋对于试件的破坏模式和承载力的贡献十分明显，且这个作用随着螺旋箍筋螺距的变化而变化：当螺旋箍筋螺距为25mm时，试件的承载力对比螺距为50mm的更高且轴向变形较小，从箍筋缝隙挤出的混凝土也较少，往往螺旋箍筋在螺旋箍筋约束混凝土承载力极限状态时被拉断，而螺距为50mm的螺旋箍筋约束混凝土则表现为核心混凝土被压碎且越来越多的从箍筋缝隙中流出，直至试件丧失承载力。
复合约束混凝土试件及素混凝土试件的轴向应力-应变曲线如图5所示。
由图5可知，曲线可分为四段：初始线性段、过渡段、第二段线性段和下降段。在加载初期，初始线性段基本与素混凝土重合，代表这一段GFRP管及螺旋箍筋并未发挥约束作用。当应力超过素混凝土抗压强度之后，曲线开始发生变化，斜率逐渐下降，可知这一段混凝土内部开始出现裂缝，导致试件整体刚度下降，而此时试件并未破坏，可知GFRP及螺旋箍筋已经开始发挥约束作用。随着荷载的进一步增大，应力-应变曲线进入第二段线性段，在复合约束作用下试件的泊松比趋于稳定，表现出较好的延性特性。当应力达到峰值后，GFRP断裂，应力-应变曲线对应出现一突变，此后混凝土在螺旋箍筋的约束下继续承载，应力-应变曲线进入相对平稳的下降段。通过对比可以发现：GFRP层数和螺旋箍筋体积配筋率对复合约束混凝土试件的峰值应力及峰值后受力性能的影响非常明显，GFRP的断裂使曲线从峰值进入只有螺旋箍筋约束的峰值后下降段，同样螺旋箍筋体积配筋率的试件的峰值后下降段较为接近。
通过对比表2中四种试件的强度值和极限压应变值，可知螺旋箍筋体积配筋率对包裹较少层数GFRP的试件的强度影响更加明显，但是对包裹较多层数GFRP的试件的极限压应变影响更加明显。通过对比四组试件的GFRP断裂应变值发现，随着螺旋箍筋体积配筋率的提高，GFRP的断裂应变随之下降，说明螺旋箍筋体积配筋率的提高虽对试件的强度、延性及破坏模式做出了明显贡献，但对GFRP的受力是不利的。
结论
试验发现随着GFRP层数及螺旋箍筋体积配筋率的提高试件的强度及延性都有明显增强，螺旋箍筋体积配筋率对包裹较少层数GFRP的试件的强度影响更加明显，但是对包裹较多层数GFRP的试件的极限压应变影响更加明显。随着螺旋箍筋体积配筋率的提高，GFRP的断裂应变随之下降。
参考文献：
[1]Mander J B，Priestley M J N，Park R.Theoretical stress-strain model for confined concrete.Journal of structural engineering，1988，114（8）：1804-1826
[2]Dai，J.G.；Bai，Y.L.；Teng，J.G.Behavior and modeling of concrete confined with FRP composites of large deformability.J.Compos.Constr.2011，15，963–973.
[3]Xiao，Y.；Wu，H.Compressive behavior of concrete confined by various types of FRP composite jackets.J.Reinf.Plast.Compos.2003，22，1187–1201.
[4]Xiao，Y.；Wu，H.Compressive behavior of concrete confined by carbon fiber composite jackets.J.Mater.Civil Eng.2000，12，139–146.
[5]Ozbakkaloglu，T.；Akin，E.Behavior of FRP-confined normaland high-strength concrete under cyclic axial compression.J.Compos.Constr.2012，16，451–463.
[6]Ozbakkaloglu，T.Behavior of square and rectangular ultra high-strength concrete-filled FRP tubes under axial compression.Compos.B Eng.2013，54，97–111.
[7]Teng，J.G.，Chen，J.F.，Smith，S.T.，and Lam，L.RC Structures Strengthened with FRP Composites.Research Centre for Advanced Technology in Structural Engineering.Department of Civil Engineering，the Hong Kong Polytechnic University，December，2000；134p
论文作者:孙晓逊
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/3
标签：混凝土论文; 螺旋论文; 应变论文; 应力论文; 体积论文; 荷载论文; 拉断论文; 《基层建设》2017年第21期论文;