长期负载下CFRP约束混凝土圆柱轴压试验研究

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

为探讨长期负载下混凝土的收缩徐变和CFRP（碳纤维布）徐变对CFRP约束混凝土柱轴向受压性能的影响，在3种不同加载模式下对12个圆柱进行了长期负载轴压试验，研究了在不同加载模式和不同负载水平下试件的破坏特征及长期荷载对约束柱变形、峰值点应力和应变的影响.试验结果表明：CFRP包裹后的试件均是由于纤维环向拉断导致柱子最终丧失承载力，且CFRP拉断位置一般集中分布在试件的中部附近；在长期荷载作用下，CFRP包裹后的试件比未包裹试件的长期变形要小，并随负载水平的提高，试件的长期变形增大；在不同加载模式下，长期负载对峰值点应力、应变的影响各不相同；初始负载对峰值点应力、应变的影响随负载水平的提高而增大，在负载水平较高时，峰值点应力降低约13%，峰值点应变降低约6%.

CFRP；约束混凝土柱；长期负载；徐变

随着FRP（fiber reinforce plastic）广泛用于混凝土柱的加固，国内外学者对FRP约束混凝土进行了大量的试验研究.但研究主要集中在没有初始应力情况下的混凝土柱，而对于有初始应力下外包FRP约束柱的研究非常少.FRP约束混凝土为被动约束，外包FRP是在被约束混凝土产生一定的侧向膨胀变形后才能有效发挥其侧向约束作用.而在实际工程中，绝大多数被加固柱是处于负载状态，存在一定的初始侧向膨胀变形，此时采用FRP包裹约束时，外包的FRP就必然存在一定的拉应变滞后.

对此，潘从建等［1］在不同初始轴压比下，对CFRP和GFRP约束混凝土柱进行了轴压试验，结果表明在轴压比较小时，初始负载对FRP约束混凝土圆柱的轴压性能无明显影响.潘毅等［2-3］在不同负载水平下，对CFRP约束混凝土圆柱和方柱也进行了试验研究，研究表明初始负载对于CFRP约束混凝土柱的极限应力和应变是有影响的，且随着负载水平的提高，其极限应力和应变降低. Maalej M等［4］对负载下FRP约束钢筋混凝土柱进行了轴压试验，结果表明其轴向承载力会随负载水平提高有不同程度的降低，并可通过减去负载引起的初始应变加以考虑.但上述试验只限于在短期负载，未考虑长期负载的影响.长期荷载作用下，混凝土会发生收缩和徐变，且FRP也将发生徐变和应力松弛，甚至会发生徐变断裂.

针对在长期荷载作用下FRP约束混凝土的力学性能，一些学者也开展了相关的试验研究.其中，于清等［5］通过长期荷载作用下FRP约束混凝土的轴压试验，研究了加载龄期、负载时间、含FRP率和混凝土强度等因素对试件变形的影响.张电杰［6］考虑约束形式、混凝土水灰比和截面形状等因素，对FRP约束混凝土柱的徐变性能进行了试验研究.

上述试验尽管考虑了长期负载的影响，但未考虑初始负载的影响.而在实际加固中，混凝土柱均是在未卸载或部分卸载的情况下进行FRP包裹，这就使得FRP存在一定的应变滞后.

为综合考虑初始压应力和长期荷载作用的影响，并结合加固工程的实际情况，本文设计了不同负载水平和加固历程下的CFRP约束混凝土柱长期轴心受压试验，对试件的破坏特征及长期变形、峰值点应力和应变进行了研究.

1 试验概况

1.1 试验设计

试验共设计了15个圆形截面的混凝土试件，试件的直径为110 mm、高为200 mm.尽管试件的尺寸小于实际尺寸，但Theriault M等［7］的研究表明，只有在试件直径小于50 mm时，才需考虑尺寸对试验结果的影响，这一结论也被普遍接受.外包FRP层数均为一层，混凝土强度等级为C20.根据3种不同的加载模式将试件分为3组，每组4个，余下的3个试件用于混凝土力学性能测试，详细参数见表1.

在表1中，对每个试件进行了编号，编号形式为CCL X-Y，其中数字X为试件的组数，共3组，分别代表3种不同的模式（详见后文）；数字Y为每组不同的加载方式，1代表名义负载水平为0.35的试件，2代表名义负载水平为0.65的试件，3代表没有负载的对比试件，4代表未包裹CFRP布的基准试件.

考虑到不同的加载历程，本次试验包括以下3种试验模式：

（1）第一种模式：对无初始压应力的混凝土进行碳纤维布外包后，在不同负载水平下长期持荷，并观测其长期变形，达到预定持荷时间后测试其受压力学性能；

（2）第二种模式：对不同负载水平下的混凝土柱长期持荷，并观测其长期变形，达到预定的持荷时间后再外包碳纤维布，然后测试其受压力学性能；

（3）第三种模式：对不同负载水平下的混凝土柱长期持荷，达到预定的持荷时间后外包碳纤维布，然后提高受压荷载后再长期持荷，并观测其长期变形，最后在达到预定的持荷时间时测试其受压力学性能.

1.2 材料力学性能

混凝土按C20配制，其配合比分别为水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.65∶2.56∶4.01.不同龄期的混凝土力学性能参数详见表2.

表2中的圆柱抗压强度是指本试验中圆柱体试件（直径为110 mm、高为200 mm的圆柱体）的抗压强度，而非欧美规范中的圆柱体（直径为15.24 cm、高30.48 cm）的抗压强度，目的是为了计算出各组试件需要施加长期荷载的大小.表2中不同的龄期分别对应各个加载历程中的关键时间节点.混凝土的立方体抗压强度通过预留的150 mm×150 mm×150 mm立方体试块进行抗压强度试验确定，每到预定时间压1组试块，每组3个，强度取其平均值.混凝土的弹性模量由预留的150 mm×150 mm×300 mm棱柱体的静力受压弹性模量试验确定，每到预定时间压1组试块，每组3个，弹性模量取其平均值.混凝土力学性能的试验严格按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）进行.CFRP采用名义厚度为0.111 mm的碳纤维布，实测平均抗拉强度为4 412 MPa，平均弹性模量为236 GPa.

表1 试件分组表Tab.1 Specimens in groups

表2 不同龄期混凝土的力学性能Tab.2 Mechanical properties of concrete of different ages

1.3 环境条件

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB/T 50082—2009），本次长期试验在恒温恒湿的徐变试验室进行.由于温度和湿度有时不恒定，故以实际测量的数据为准.试验的环境温度和环境湿度的观测情况，如图1和图2所示.温度的变化范围为11.5～23.5℃，平均值为17.6℃，湿度的变化范围为66%～74%，平均值为69.9%.

图1 环境温度的变化Fig.1 Ambient temperature variation

1.4 试验方法

本次长期荷载试验采用自行设计的装置加载，如图3所示.该加载装置一共有6个，可对需要施加长期荷载的试件同时作用.试验过程可以分为两个阶段：施加长期荷载的第一阶段和施加破坏荷载的第二阶段.

图2 环境湿度的变化Fig.2 Ambient humidity variation

1.4.1 第一阶段——长期荷载下的变形测量

在长期加载中，先用千斤顶对需要预载的试件加载至名义负载水平（第一次加载），然后拧紧螺母进行持荷.考虑到试验过程中的应力损失和钢拉杆的应力松弛，采用压力传感器来对实际负载水平进行控制和测量，并结合手持应变仪进行复核.同时，考虑到试件徐变和收缩对实际负载的影响，不定期用千斤顶对试件进行适当的补载.

考虑到加载时间较长，在进行长期变形的测量时采用具有良好的稳定性和可靠性的千分表.故本文选择了在试件的两个对角方形分别布置一个千分表，以此来进行长期变形的测量，如图3所示.在加载初期，每天观测并记录长期变形，中期每隔3 d观测并记录，后期观测时间间隔逐渐增大，每隔1周观测并记录.

图3 试验装置Fig.3 Test facilities

1.4.2 第二阶段——持荷后的应力和应变测量

在达到预定持荷时间后，未包裹碳纤维布的试件开始包裹碳纤维布.为避免碳纤维布搭接不牢而导致试件提前破坏，碳纤维布的搭接长度为100 mm；为避免混凝土试件端部提前破坏，在试件两端加贴两层30 mm宽纤维布进行加强.48 h后，待结构胶完全干后，对第一、二组的试件用千斤顶继续加载（第二次加载）直至试件破坏；对第三组的试件则用千斤顶提高受压荷载后，继续持荷到预定时间，再进行第三次加载至试件破坏.对比试件的加载直接在200 t液压试验机上进行.

加载至破坏的试验中，主要测量内容包括：沿圆柱试件中部一周的CFRP环向拉应变、柱子的纵向应变和柱子的竖向极限荷载值.为测量CFRP的环向拉应变和柱子的纵向应变，沿圆柱一周分别均匀布置了3片标距为20 mm和80 mm的电阻应变片，如图3所示.

试验数据的采集采用靖江市东华测试技术有限公司开发的DH3818静态应变采集仪.试验严格遵照《混凝土结构试验方法标准》（GB 50152—2012）的有关规定进行.

2 试验结果及分析

2.1 试件的破坏特征

对于第二、三组约束试件，在包裹CFRP前，混凝土柱的竖向应变和环向应变都有了一定程度的发展.因此，试件在负载水平较低时（名义负载为0.35），未出现表面裂缝；而在负载水平高时（名义负载为0.65），其表面出现了一些可见裂缝.

包裹CFRP以后，在荷载加至极限荷载的80%以前，未见明显外观变化，但此后，可以听见间断的碳纤维断裂声，且时有混凝土破裂的声音.当荷载达到极限荷载时，随着一声巨响，碳纤维被忽然拉断，并伴随有混凝土碎屑崩出，其破坏过程十分迅速.碳纤维包裹后的试件均是由于纤维环向拉断导致柱子最终丧失承载力.CFRP拉断位置一般集中分布在试件的中部附近.试件的典型破坏形态见图4.

总体上看，约束试件均为脆性破坏.对于二、三组试件，在负载水平较低时（名义负载水平＜0.6），其试验现象与无负载的试件基本相同；在负载水平较高时（名义负载水平≥0.6），由于加固前试件表面就有不同程度的可见裂缝，纵向变形和横向变形都有较明显的发展，且混凝土内部已有一定程度的损伤，所以与无负载或低负载的试件相比，高负载的试件在二次加载时，混凝土的纵向应变和环向应变发展较快，破坏荷载较低.

2.2 长期荷载作用下的变形测量及分析

本次试验在混凝土外涂环氧树脂，并包裹了CFRP，形成密封外壳.混凝土中的水分沿柱轴向散失的路径相当长，因此包裹CFRP的混凝土可以近似认为是理想状态的密封混凝土，不产生干燥徐变［8］.

同时，Naguib W等［9］提出，混凝土的收缩主要发生在浇注后的90 d，此后随时间的增加，收缩速度放缓.而对于密封条件下的混凝土，其收缩在90 d后几乎停止.就本次试验而言，混凝土柱加载时已经是第70 d，收缩已经大部分完成.就实际工程中被加固柱而言，在加固之前也有足够的时间完成收缩.

对在不同加载模式下，是否考虑FRP约束混凝土柱的干燥徐变和收缩，如图5所示.

表3给出了试件变形的测量结果.由表3可知，负载水平越高，总应变越大；相同负载水平下，未包裹FRP的试件总应变高于包裹FRP的试件，前者的原因是由混凝土徐变的特性决定的.一般而言，混凝土徐变随负载水平的提高而增大［10］.而后者的原因则主要是由于FRP包裹所形成的密封状态，阻碍了混凝土中水分的散失，从而减小了干燥徐变和收缩所造成的变形.

图5 密封条件Fig.5 Seal condition of specimens

图6～7给出了6个试件的纵向总应变随时间变化的曲线，其中，第三组试件的变形为第二个阶段.如图所示，无论是未约束混凝土，还是约束混凝土在长期荷载作用下的纵向变形早期发展较快，持荷60 d的变形量为总变形量的63.6%～75.9%，而此后变形发展逐渐放缓，曲线渐趋水平.对于第三组试件，其第二阶段的变形也呈现出相同的特点，在提高荷载后的前60 d，CCL3-1和CCL3-2增长的变形量分别为增加的总变形量的69.5%和67.5%，此后变形发展逐渐放缓，曲线渐趋水平.

表3 长期负载下试件应变的测量结果Tab.3 Measured strain of specimen under sustained load

图6 第一、二组试件的变形Fig.6 Strain of the first and second group of specimens

图7 第三组试件的变形Fig.7 Strain of the third group of specimens

2.3 破坏荷载作用下的试验结果及分析

在破坏荷载作用下，长期负载试件与对比、基准试件的峰值点应力、应变的测量结果，如表4所示.由表4可知，从对比试件的角度分析，不同的加载历程，其试验结果的表现也不尽相同，分析如下：

（1）对于第一组试件，长期负载试件的峰值点应力与对比试件相差不大，而峰值点应变则稍大于对比试件.这是由于负载前已经包裹了FRP，施加的荷载相对于包裹后约束混凝土的极限荷载较低，长期荷载仅对变形产生影响，而对于试件承载力的影响不大.

（2）对于第二组试件，长期负载试件的峰值点应力和应变均小于对比试件，且负载水平越高，下降幅度越大.这是由于未包裹FRP的试件在长期负载中，混凝土产生了侧向膨胀，导致后包的FRP存在一定的拉应变滞后，且混凝土存在一定程度的损伤［11-12］.尽管长期荷载作用下试件产生了一定的徐变变形，但该变形尚不足以弥补由于拉应变滞后、混凝土损伤等带来的峰值点应变的下降.

（3）对于第三组试件，长期负载试件的峰值点应力比对比试件小，特别是高负载水平下的试件有明显下降.应力下降的原因同第二组.而峰值点应变略高于对比试件.这是由于提高负载水平后，在随后的持荷时间内，试件产生了充分的徐变变形，最后应变叠加的结果导致了最终的应变稍高于对比试件.

而从基准试件的角度来分析，从第一组到第三组，应力和应变的提高倍数都出现了不同程度的下降，特别是应变的提高倍数尤其明显.这主要归结于3点原因：（1）包裹FRP之前的负载导致的拉应变滞后；（2）包裹FRP后随着荷载的提高，FRP在参与受力过程中产生了徐变变形和应力松弛［13-14］；（3）混凝土的峰值应力和应变随龄期发生了增长.

表4 破坏荷载作用下试件的试验结果Tab.4 Experimental results of specimens under failure load

3 结 论

（1）包裹CFRP前的初始负载会降低试件的峰值点应力和应变，随着初始负载的增大，降低的幅度也随之增大.包裹CFRP后的试件均是由于碳纤维环向拉断导致其最终丧失承载力，属脆性破坏.

（2）在长期荷载作用下，CFRP包裹后的试件比未包裹的长期变形小，随负载水平的提高，试件的长期变形增大.不论有无CFRP约束，混凝土在长期荷载作用下的纵向变形均早期发展较快，而后发展逐渐放缓.

（3）从对比试件来看，在不同加载模式下，长期荷载对负载试件的峰值点应力、应变的影响不同.在第一种加载模式中，长期负载试件的峰值点应变大于对比试件，而峰值点应力相差并不大；在第二种加载模式中，长期负载试件的峰值点应力和应变均小于对比试件，且负载水平越高，下降幅度越大；在第三种加载模式中，长期负载试件的峰值点应力比对比试件小，特别是高负载水平下的试件有明显下降.

（4）从基准试件来看，从第一组到第三组试件，应力和应变的提高倍数都出现了不同程度的下降，其中应力的变化尤其明显.

［1］ 潘从建.考虑二次受力的FRP约束混凝土圆柱轴压性能的试验研究［D］.北京：中国建筑科学研究院，2007.

［2］ 曹双寅，潘毅，敬登虎，等.负载下碳纤维布约束混凝土圆柱应力-应变关系的试验研究与分析［J］.东南大学学报，2008，30（2）：788-793.

CAO Shuangyin，PAN Yi，JING Denghu，etal. Experimental research on axially loaded circular concrete columns confined by CFRP under preload［J］.Journal of Southeast University，2008，30（2）：788-793.

［3］ 潘毅，曹双寅，敬登虎，等.负载下碳纤维布约束混凝土方柱应力-应变关系的试验研究与分析［J］.土木工程学报，2009，42（1）：23-29.

PAN Yi，CAO Shuangyin，JING Denghu，et al.Test and analysis of the axial stress-strain relationship of square-section concretecolumnsconfined byCFRP under preload［J］.China Civil Engineering Journal，2009，42（1）：23-29.

［4］ MAALEJ M，TANWONGSVAL S，PARAMASIVAM P. Modelling of rectangular RC columns strengthened with FRP［J］. Cement& Concrete Composite， 2003，25（2）：263-276.

［5］ 于清，韩林海，张铮.长期荷载作用对FRP约束混凝土轴心受压试件力学性能的影响［J］.中国公路学报，2003，16（3）：58-63.

YU Qing，HAN Linhai，ZHANG Zheng.Long-term effect in FRP-confined concrete stub columns under sustained loading［J］.China Journal of Highway and Transport，2003，16（3）：58-63.

［6］ 张电杰.考虑徐变效应的FRP约束混凝土塑性模型研究［D］.北京：北京交通大学，2013.

［7］ THERIAULT M，NEALE K W，CLAUDE S.Fiberreinforced polymer-confined circular concrete columns：investigation of size and slenderness effects［J］.Journal of Composites for Construction，2004，8（4）：323-331.

［8］ RUSSELH G，CORLEY W G.Time-dependent behavior of columns in water tower place［J］.American Concrete Institute Special Publication，1978，55（8）：347-374.

［9］ NAGUIB W，MIRMIRAN A.Time-dependent behavior of fiber-reinforced polymer confined columns under axial loads［J］.ACI Structural Journal，2002，99（2）：142-148.

［10］ 周履，陈永春.收缩徐变［M］.北京：中国铁道出版社，1994：35-42

［11］ 逯静洲.三维受压混凝土损伤特性理论与试验研究［D］.大连：大连理工大学，2001.

［12］ PETKOVID G.Properties of concrete related to fatigue damage with emphasis on high-strength concrete［D］. Trondheim：University of Trondheim，1991.

［13］ 任慧韬，胡安妮，赵国藩.碳纤维片材的徐变性能试验研究［J］.工程力学，2004，21（2）：10-14.

REN Huitao，HU Anni，ZHAO Guofan.Experimental study ofcree rbon fiber reinforced plastics［J］. Engineering Mechanics，2004，21（2）：10-14.

［14］ 潘毅，万里，吴晓飞.负载下CFRP约束混凝土应力-应变关系分析型模型［J］.西南交通大学学报，2015，50（3）：461-465.

PAN Yi，WAN Li，WU Xiaofei.Analysis-oriented stress-strain model of CFRP confined concrete with preload［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2015，50（3）：461-465.

长期负载下CFRP约束混凝土圆柱轴压试验研究

潘 毅1，2， 吴晓飞1， 万 里1， 袁 双1

Experimental Study on Axially Loaded Circle-Section Concrete Columns Confined by CFRP under Long-Term Load

PAN Yi1，2， WU Xiaofei1， WAN Li1， YUAN Shuang1
（1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to analyze the effect of creep in concrete and CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）on the axial compressive behavior of CFPP confined concrete column under the sustained load，a total of twelve circular columns specimens were tested under three types of the long-term axial load modes.The failure characteristics of specimens were observed and the influence of sustained load on the deformation，the peaks of the strain and the stress of CFPP confined concrete columns were studied under different load modes and ratio of sustained load.The experimental results show that all of the CFRP confined columns lose carrying capacity due to the rupture of CFRP in loop direction，and the position of rupture generally locates at the mid-height of concrete column.The axial strain of CFRP confined concrete is smaller than that of unconfined specimens，and the deformation increases with the load magnitude.Under different sustained load types，the long-term axial preload have different effects on peak stress and peak strain of CFRP confined concrete.In general，the peaks of the stress and strain of concrete decrease along with the increment of the ratio of sustained load.When the ratio of sustained load is relatively high，peak stress and strain will decrease about 13%and 6% ，respectively.

CFRP（carbon fiber reinforced plastic）；confined concrete column；sustained load；creep

潘毅，吴晓飞，万里，等.长期负载下CFRP约束混凝土圆柱轴压试验研究［J］.西南交通大学学报，2016，51（5）：847-854.

0258-2724（2016）05-0847-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.005

TU375.3

A

2015-03-28

国家自然科学基金资助项目（51108389）；国家留学基金资助项目（20123022）

潘毅（1977—），男，副教授，博士，研究方向为结构工程的抗震鉴定加固和纤维复合结构的应用，E-mail：panyi@swjtu.edu.cn

（中文编辑：徐 萍 英文编辑：周 尧）