CFRP约束矩形截面混凝土柱

周绍艳 刘泓睿 夏培炎 周扬扬

摘要：将简化结构柱为300mm试块，实验对象：30个碳纤维布（CFRP）包裹混凝土构件;试验：单轴受压试验;控制变量：应变速率、构件截面长宽比、倒角半径;实验结果：CFRP约束混凝土的应力-应变曲线和CFRP布的应力-应变曲线在不同控制变量下的变化趋势。

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.

关键词：CFRP约束混凝土试块;截面长宽比;倒角半径;应变速率

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

中图分类号：TU375.3                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）34-0120-03

0  引言

CFRP约束混凝土柱在单轴受压实验中，混凝土在荷载作用下发生横向变形，横向截面开始扩张，对CFRP布产生膨胀的应力，而CFRP布为了抵抗膨胀而产生拉伸应力来约束混凝土的侧向变形，从而提高混凝土的抗剪切变形的能力。此时CFRP布产生的是反环向拉伸应力，所以构件破坏将会是CFRP布断裂为主。

1  试验

本实验是研究CFRP约束混凝土柱在单轴受压试验下不同加载速率的试验线现象，以及分析CFRP约束混凝土的应力-应变曲线和CFRP布的应力-应变曲线，试验混凝土强度等级选为C30，截面单取方形，构件一律采用CFRP布包裹，控制外包纤维布类型、CFRP布包裹层数、倒角半径、试件尺寸。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）要求，本实验构件尺寸选择为300×150×150mm3棱柱体，截面尺寸选取三种长宽比h/b=1.0、1.25、1.5。《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）要求，构件转角处曲率半径应大于或者等于20mm。本试验采取尺寸为40mm、50mm和70mm的倒角半径。

按照常规混凝土单轴受压试验的应力速率控制，本试验采用三种不同应变速率：2.810-5/s、2.810-4/s和2.810-3/s，分别对应模拟：准静态荷载、一般地震荷载以及剧烈地震荷载。

1.1 材料选用和技术性能

①混凝土：普通硅酸盐水泥，标号为42.5。

②水：拌合水（取自自来水）。

③粗骨料：碎石，平均粒径15mm。

④细骨料：天然河沙（中砂）。

⑤CFRP布：日本东丽公司生产，型号是ut70×30，其基本性能见表1。

⑥粘结剂：上海三悠公司生产的CFRP布专用环氧树脂。

⑦应变片：电阻应变片，50mm×5mm，益阳市赫山区广测电子有限公司生产。

1.2 配合比

混凝土的强度等级为C30，据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2015）以及《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）等相关国内使用规范，混凝土配合比：混凝土强度等级：水/;水泥/;石头/;沙子/。

1.3 试验方法

试验采用素混凝土圆柱（150mm×300mm）6个，F1组CFRP约束混凝土方柱（150mm×150mm×300mm，倒角半径为40mm）6个;F2组CFRP约束混凝土方柱（150mm×150mm×300mm，倒角半径为50mm）6个;F3组CFRP约束混凝土方柱（150mm×150mm×300mm，倒角半径为70mm）6个;F4组CFRP（150mm×187mm×300mm，倒角半径为50mm）6个，F5组CFRP约束混凝土方柱（150mm×225mm×300mm，倒角半径为50mm）6个，试件统一采用CFRP布进行包裹。采用位移加载的加载方式，加载速率分别为8.4×10-5mm/s、8.4×10-4mm/s、8.4×10-3mm/s。

2  CFRP约束混凝土柱试验

2.1 试验现象

F1组的搭接长度：150mm，倒角半径：40mm，采用CFRP单层包裹; F2组、F4组和F5组的搭接長度：150mm，倒角半径：50mm，采用CFRP单层包裹，碳纤维约束混凝土柱断裂的断口随着倒角半径的增加呈现出由整齐到不再整齐，并且陆续出现多个断口，位置不单一;F3组的搭接长度150mm：，倒角半径：70mm，采用CFRP层包裹，碳纤维约束混凝土柱断裂的断口随着倒角半径的增加呈现出由整齐到不再整齐，并且陆续出现多个断口，位置不单一。研究发现方柱的σ-ε曲线区别于正方形柱的，当方柱塑性变形阶段后其σ-ε曲线呈现下降趋势，此时碳纤维布噼啪作响，有拉伸，欲撕裂的现象。

2.2  静态加载试验现象

CFRP约束混凝土的静态性能（其加载速率为0.0084mm/s）试验试件总共10个。当初始加载时，发现CFRP布应力-应变曲线为直线，混凝土与CFRP布的横向变形较小，试件的外观变化不明显;当荷载达到900kn左右时，试件开始进入弹塑性阶段。然后，应力-应变曲线的斜率逐渐减小，达到峰值后减小到0，因为CFRP布被包裹在外面，当达到轴时，在应力峰值处没有明显的现象;在达到应力峰值后，有CFRP布撕裂的声音。短暂的声响后，又恢复平静，承载力开始迅速下降;当承载力下降到应力峰值的85%时，应力值保持在这个水平上并向下浮动;当接近破坏时，可以清楚地听到局部的声音。有碳纤维线连续撕裂的声音，持续几秒钟，响亮而清晰;最后一次破坏时，也有响亮的声音，中间的碳纤维布完全开裂剥落并延伸到两端，还有一点混凝土碎片飞出，此时，承载力直线下降至0，试块损坏。可见，试件内部的部分混凝土被压碎成小块或粉末。

2.3 动态加载试验现象

CFRP约束混凝土的动态性能（加载速率为0.084mm/s和0.84mm/s）用20个实验试件进行测试。试验期间快速加载试验的破坏过程和静态加载试验的破坏过程比较相似，但是试件破坏更加突然是由加载速率所造成，因此破坏后试件产生的能量更加巨大，伴随着破坏前CFRP密集且响亮的撕裂声和破坏后更加巨大的破坏声充分体现了这一实验现象，破坏时的实验试件有着混凝土溅出的现象。破坏后的实验试件CFRP被撕裂成多股纤维，快速加载时实验试件呈椎体状，当临近破坏时可以用肉眼看到试件中部膨胀，由于纤维丝被剧烈拉伸而产生发白的现象。在高应变速率实验状态下试块内部的混凝土进一步被破碎，几乎在高应变速率加载下的全部试件从实验支架上取出后全部都散成多段，导致试件无法完整取出。

3  结语

对30个CFRP约束混凝土方柱进行较为完整轴压试验，同时对CFRP材料的性质进行试验研究和理论分析。在进行CFRP材料试验中，脆性断裂是CFRP的破坏主要表现形式，在拉伸CFRP材料过程中线弹性特征为主要表现明显。约束柱在进行轴压试验时，在倒角处有多数试块发生破坏，伴随着巨大爆破声试件均被破坏。最后实验结束通过对破坏形式的统计，角部破坏和混合破坏是此次试验的主要破坏形式，这表明了约束柱一般在角部存在薄弱点。

根据试验结果，约束柱的抗压强度与倒角半径和应变速率成正比增加，约束柱的抗压强度与截面长宽比成反比，当实验加载速率每增加10倍时，CFRP约束混凝土的极限抗压强度大约呈现8%-15%上升趋势;根据试验的曲线图表，由于不同的试验倒角半径和试验截面长宽比，导致出现充分约束和不充分约束两种情况的约束柱应力应变曲线，根据实验结果说明混凝土抗压强度以及峰值应变能力提升效果减弱是由不充分约束导致的。

参考文献：

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