尺寸效应对GFRP约束钢筋混凝土方柱力学性能的影响

詹界东，　李　赛,　赵德望

(1.黑龙江省防灾减灾工程与防护工程高校重点实验室,黑龙江 大庆 163318；2.东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)



尺寸效应对GFRP约束钢筋混凝土方柱力学性能的影响

詹界东1,2，李赛1,2,赵德望1,2

(1.黑龙江省防灾减灾工程与防护工程高校重点实验室,黑龙江 大庆 163318；2.东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)

GFRP布约束钢筋混凝土柱是近几年新兴的一种加固形式。文中采用GFRP布缠绕包裹钢筋混凝土方柱，讨论尺寸效应对GFRP约束钢筋混凝土方柱力学性能的影响。通过静力实验方法考察不同截面尺寸试件的极限承载力。结果表明：在相同配筋率和体积配置率的情况下，几何相似的小、中、大三个尺寸的试件，随着试件的尺寸增大，GFRP布的约束效果越好，其相对于未约束试件承载力提高幅度越大。

GFRP布；钢筋混凝土方柱；尺寸效应；极限承载力

0　引　言

近几年，GFRP布约束钢筋混凝土柱成为一种新兴加固形式。FRP布约束方形截面混凝土柱，其截面内存在有效约束核心区和非有效约束区，对于钢筋混凝土方形截面柱，应力会集中在拐角处，造成试件在拐角处发生脆性破坏。采用GFRP布缠绕包裹钢筋混凝土方柱，通过环氧树脂系胶结剂使玻璃纤维布与钢筋混凝土柱紧密粘接在一起，共同承受荷载[2]。GFRP布以其轻质高强、较好的稳定性、较高的弹性模量和抗拉强度被广泛用于工程实际中,如美国Texas Hamilton饭店,部分柱子采用了FRP进行了维修加固,在日本，利用 FRP对一般建筑物和桥梁进行加固分别占到了总加固量的45%和40%[3]。其主要作用是约束核心混凝土柱的横向变形，改变核心混凝土的破坏形态，提高混凝土柱抗剪承载力、延性及耗能能力[4]。作为主要纵向受力构件的钢筋混凝土柱处于三轴受力状态，自身抗压承载力也会得到提高[5]。笔者根据需要和实验条件，借鉴了FRP布约束钢筋混凝土柱的有关理论研究[6]，精心设计了三种尺寸的GFRP约束钢筋混凝土柱试件及一组未缠布的钢筋混凝土柱对比试件，进行GFRP布约束钢筋混凝土方柱的轴压实验研究。

1　实验方案

1.1实验设计

实验采用混凝土强度等级C30，试件长细比均为3，每组试件有小、中、大三个尺寸，分别为150 mm×150 mm×450 mm、200 mm×200 mm×600 mm、250 mm×250 mm×750 mm。有文献指出，钢筋混凝土方柱在截面边长小于400 mm时，可以不做倒角处理，因此实验所有方柱都未做倒角处理。试件分为A组和对比组O组，每组试件包括3个按3∶4∶5扩大尺寸的钢筋混凝土方柱。A组试件玻璃纤维布缠绕层数按试件尺寸由小到大分别为3、4、5层，O组试件为对比组，未缠绕玻璃纤维布。

实验采用大庆蒙西水泥有限公司生产的32.5级普通硅酸盐水泥，各项物理力学性能指标均符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》的规定，各性能指标数据如表1所示。粘贴玻璃纤维布所用结构胶是用环氧树脂系胶结剂、促进剂、固化剂按100∶2∶1比例配制而成，试件的编号和参数如表2所示。

表1　C30混凝土配合比

表2　试件编号和参数

1.2试件处理

混凝土试件的处理和玻璃纤维布的粘贴严格按照《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS146:2003)和混凝土结构加固规范(GB50367—2006)中的相关规定进行。钢筋混凝土方柱粘贴GFRP布加固的步骤为：试件表面磨平，基面处理和清洗，配置粘接剂，粘接FRP布。钢筋混凝土方柱粘贴完成后，置于阴凉干燥处，10℃左右室温下放置一周，使其充分固化，再进行轴压实验[3]。制作完毕后的试件见图1。

图1　GFRP布加固后的钢筋混凝土方柱

1.3测点布置和测量内容

1.3.1测点布置

实验测点主要为应变测点和位移测点。A组试件的混凝土测点布置在每个侧面的中心处，每个测点设置横向和纵向电阻应变片各一个，如图2a；O组试件作为对比组，每个侧面在横向1/2、纵向的四等分点上共布置三个测点，每个测点设置横向和纵向电阻应变片各一个，如图2b。A组试件的GFRP布测点布置在每个侧面的横向1/2、纵向四等分点中的两个点上，每个测点设置横向和纵向电阻应变片各一个，如图2c。

a　　　　　　b　　　　　c

1.3.2测量内容

试件加载过程中主要测量的内容有：

(1)通过压力试验机自带的压力传感器测量试件的极限承载力。

(2)通过静态应变采集箱采集混凝土截面中部的纵向应变、环向应变和GFRP布的轴向应变、环向应变。

(3)通过百分表位移计的示数观察试件的轴向位移和环向位移。

(4)实验过程中观察GFRP布的开裂情况和加固后混凝土柱的破坏形态[7-8]。

1.4实验加载方案

按照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB50081—2002)中的有关规定，在东北石油大学结构实验室完成整个实验。加载装置为吉林省金力试验技术有限公司生产的YAW-5000微机控制电液伺服压力试验机，试验机净空高度为10 m，最大加载能力为5 000 kN，采用计算机控制。

(1)预加载：在每次正式加载前，对试件进行预先试加载，预加载最大值为预估的试件极限承载力的10%，在预加载过程中，检查位移计和电阻应变箱的读数是否正常，若不正常，查明原因改正，直到仪器全部读数正常为止。

(2)正式加载：正式加载为分级单调加载，采用力控制的控制方式。以极限荷载的70%为分界点，在达到70%极限荷载之前，每级荷载为1/10的极限荷载；达到70%极限荷载之后，每级荷载为1/20的极限荷载。在达到实验荷载预估值的90%以前，以2 kN/s的速率加载，随后减慢加载速度，直至试件破坏[9]。

2　实验结果与分析

2.1试件破坏形态

实验是一种重要的科学研究手段，通过实验，可以观察到试件从开始加载到最终破坏的整个阶段的变化情况[10]。

A组实验中，在加载初期，由于荷载很小，核心混凝土的横向应变很小，外包GFRP布尚未起约束作用，FRP布上的应变值较小，主要由钢筋混凝土柱承担压力，荷载与轴向位移呈线性变化，整个结构处于弹性阶段。在以上加载过程中，结构外观无明显变化。继续加载，混凝土上的应变迅速增加，GFRP布上的应变也开始增加，当加载到接近未约束钢筋混凝土柱的极限承载力时，GFRP布上的应变迅速增大，结构外表面局部GFRP布由于拉伸而变白，如图3a。试件中部的纤维布鼓起，如图3b，这是由于环向拉力的作用，GFRP布与混凝土柱出现剥离，在此加载过程中能听见清脆的劈裂声。继续加载，混凝土上的应变片部分失去读数，GFRP布的应变大幅度增大，并持续地出现纤维布脆裂的声音，再继续加载，试件破坏，如图3c、d。试件破坏时可以发现，有的试件是混凝土中部被压碎，中部FRP布断裂；有的试件，是FRP布在角部发生断裂，丧失约束能力。

a　　　　　　　　　　　b

c　　　　　　　　　　　d

2.2荷载应变关系分析

A组试件荷载应变关系曲线对比如图4所示。

从试件的荷载-位移曲线中可以观察到，在开始加载的很长一段时间，试件的环向位移基本为零，直到荷载加至相应尺寸未约束试件的极限荷载时，试件的环向位移才开始逐渐发展，并且加载后期约束试件的环向位移与未约束试件相比也很小，这说明GFRP布对钢筋混凝土柱起到了较强的约束作用，很好地限制了试件的横向变形的发展。

2.3尺寸效应对试件力学性能的影响分析

对比A组试件和对照组O组的极限承载力和极限抗压强度，如表3所示。

a　A1

b　A2

c　A3

试件尺寸/mm×mm×mmGFRP布缠绕层数试件编号极限承载力/kN极限抗压强度/MPa极限抗压强度提高幅度/%150×150×4503A161727.4226.950O148621.6-200×200×6004A2101225.339.550O279518.13-250×250×7505A3150424.0650.940O399615.94-

从表3中可以发现，两组试件的极限抗压强度均随着尺寸的增大而降低，未用GFRP布缠绕约束的对照组O中的小、中、大尺寸试件的极限抗压强度分别为21.6、18.13、15.94 MPa，即随着尺寸的增大，极限抗压强度分别降低了3.47和2.19 MPa。 GFRP布约束的A组试件小、中、大尺寸试件的极限抗压强度分别为27.42、25.3、24.06 MPa，即随着尺寸的增大，极限抗压强度分别降低了2.12和1.24 MPa，这说明GFRP布的约束作用减轻了试件极限抗压强度在一定范围内随着尺寸的增大而降低的程度，即削弱了尺寸效应的影响[11-12]。

将A、O两组中的相同尺寸试件进行对比，我们可以发现，试件A1相对于同尺寸未约束试件O1极限抗压强度提高了26.95%，试件A2相对于同尺寸的未约束试件O2极限抗压强度提高了39.55%，试件A3相对于同尺寸的未约束试件O3极限抗压强度提高了50.94%。这说明，在相同配筋率和体积配置率的情况下，几何相似的小、中、大三个尺寸的试件，随着试件的尺寸增大，GFRP布的约束效果越好，其相对于未约束试件承载力提高幅度越大。

3　实验有限元分析

为了更好地验证结论的正确性，根据GFRP布约束钢筋混凝土方柱组合结构的特征和受力特点，利用ANSYS软件建立模型进行验证。模型见图5。

利用ANSYS模型，对两组GFRP布约束钢筋混凝土方柱进行数值模拟分析，得到每个试件的极限承载力、极限应力、最大轴向位移，将这些指标和实验所得数据进行对比，以此验证建立的ANSYS模型的可靠性，进而对更多种工况下的GFRP布约束钢筋混凝土方柱进行数值分析。文中选取了A、B两组试件的实验结果与模拟结果进行对比。如表4所示。

a　核心混凝土

b　GFRP布

c　钢筋

d　组合柱整体

Fig. 5GFRP constraint model of reinforced concrete square columns

表4　A组试件有限元结果与实验结果对比

通过A组试件的实验结果和有限元分析结果的对比可以看出，极限承载力的误差基本在10%左右，最大轴向位移的误差均在10%以内，由此可以看出，实验结果与ANSYS模拟结果吻合较好。

4　结　论

(1) FRP布约束钢筋混凝土方柱的轴压实验中，在加载初期，试件处于弹性阶段，当荷载加至接近同尺寸未约束试件的极限承载力时，GFRP布开始发挥约束作用，承担主要的环向拉力。

(2) 将各组内的三个试件进行对比，可以发现，在几何相似性和物理相似性原则的前提下，制作的三个试件的极限抗压强度并不相同，说明对于几何相似的小中大试件，在约束比相同的情况下存在尺寸效应。GFRP布的约束作用可以减轻试件极限抗压强度在一定范围内随着尺寸的增大而降低的程度，即削弱了尺寸效应的影响。随着试件的尺寸增大，GFRP布的约束效果越好，其相对于未约束试件承载力提高幅度越大。

(3) 通过A、O三组试件的对比， GFRP布缠绕层数越多，试件的尺寸效应现象越不明显。GFRP布的约束使钢筋混凝土方柱的极限抗压强度有明显提高。在一定层数范围内，随着缠绕层数的增加，极限抗压强度也随之增大。但是，极限抗压强度并未随着层数增加而呈线性变化，反而随着层数的增加，提高的幅度降低。说明对于GFRP布约束钢筋混凝土结构，存在最优约束比的问题。

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(编辑徐岩)

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

国家自然科学基金项目(51308028)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12543023)

詹界东(1970-)，男，吉林省榆树人，博士，教授，研究方向：结构工程、防灾减灾防护工程，E-mail：renmeng200960@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.017

TU378.2

2095-7262(2016)04-0433-06

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