碳纤维约束与箍筋约束混凝土轴压性能对比.pdf
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1、第 3 5卷 第 4期 2 O 1 3年 8月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 5 NO 4 Au g 2 01 3 d o i : 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 4 0 0 6 碳纤维约束与箍筋约束混凝土轴压性能对比 惠宽堂 , 王 南 , 史庆轩 ( 西安建筑科技大 学 土木 工程 学院,西安 7 1 0 0
2、 5 5 ) 摘 要 : 针 对 箍筋 约束 与碳 纤维 约 束混 凝 土轴 心 受压 力 学性 能 , 基 于 大量 的轴 心 受压 试验 数 据 , 分 析 了约 束混凝 土轴 心 受压 力学性 能 的 主要 影 响 因素 , 分别 建 立 了箍 筋 约 束与 碳 纤 维 约束 混 凝 土轴 心受压时的峰值应力、 峰值应 变和极 限应变的计算公 式; 对比分析结果表明, 箍筋约束混凝土优 势 在 于低特 征值 段 , 碳 纤 维约 束混凝 土 的性 能在 高特征 值 时将超 过箍 筋 约束混 凝 土。 关 键词 : 约束 混凝 土 ; 轴 压性 能 ; 配箍特 征值 ; 合 纤特征 值 中
3、图分 类号 : T U3 7 5 3 文献 标志 码 : A 文章编 号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 3 2 0 6 Co n t r a s t An a l y s i s o f M e c h a n i c a l Be h a v i o r o f Co nf i ne d Co n c r e t e wi t h S t i r r u p s a n d CFRP Un d e r Ax i a l Co mpr e s s i o n Xi Ku a nt an g,Wan g Na n,Sh i Qi n g x u a
4、n ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y,Xi a n 7 1 0 0 5 5 ,P RCh i n a ) Ab s t r a c t : Ai mi n g a t c o n f i n e d c o n c r e t e wi t h s t i r r u p s a n d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p l
5、a s t i c ( CFRP)r e s p e c t i v e l y , t he ma i o r i n f l ue nc e f a c t or s o f m e c ha ni c a l b e ha vi o r of c on f i n e d c o nc r e t e un de r a x i a l c ompr e s s i o n we r e s t u di e d ba s e d o n r e p or t e d e x pe r i m e nt a l d a t a Th e e q ua t i o ns f or c a
6、l c u l a t i n g t h e pe a k s t r e s s,p e a k s t r a i n a nd u l t i ma t e s t r a i n we r e p r o p os e d r e s p e c t i v e l y f or c o nf i ne d c o nc r e t e wi t h s t i r r ups a nd CFRP Co nt r a s t i ve a na l y s i s s h ows t ha t t he be ha v i o r of c o nf i ne d c o nc r
7、e t e wi t h s t i r r u ps i S b e t t e r t h a n c on f i n e d c on c r e t e wi t h CFRP i n l o w c ha r a c t e r i s t i c v a l u e,whe r e a s t he c on c l us i o n i S c o n t r a r y i n hi g h c h a r a c t e r i s t i c v a l ue Ke y wo r d s : c o n f i n e d c o n c r e t e ;a x i a
8、 l c o mp r e s s i o n;s t i r r u p s c h a r a c t e r i s t i c v a l u e ;CF RP c h a r a c t e r i s t i c v a l u e 采用约束材料对混凝土施加约束可以有效提高 混凝土强度和变形能力 , 提高构件的延性 , 改善其抗 震性能。箍筋约束与碳纤维 ( C F R P ) 约束混凝 土是 工程中常见的 2种形式 , 各 国学者已对其轴心受压 力 学性 能进 行 了大 量 试 验 研 究 。研 究 表 明 , 不 同 约 束形式对混凝土的约束效果各不相同, 文献 1 对箍 筋约
9、束 混凝 土 的受 力 机 理 进 行 了 研究 , 提 出 了 考 虑 箍筋约束效应的方法 , 文献 2 , 4 , 5 7 根据轴心受压 试验结果分别建议 了箍筋约束与碳纤维约束混凝土 本构模型 , 文献 8 根 据约束 效果 的不 同, 提 出 了 F R P约束 混凝 土分 为强、 弱约束 的判 别方 法。 目 前 , 已有研究大多针对二者各 自的轴压性能 , 没有将 2 种材料对混凝土的约束效果进行对 比分析。笔者 在大量试验数据基础上 , 通过理论分析对 比了箍筋 约束与碳纤维约束混凝 土的轴心受压力学性能, 并 评价了 2种材料对混凝土的约束效果。 1 箍筋约束与碳纤维约束的不
10、同特点 1 1 材 料材 性 碳纤维是一种脆 性材料, 弹性模量与钢材相差 不多 ; 但其抗拉强度较高 , 一般约为普通强度箍筋的 5 8倍。由于二者材料 自身特性和构造方式 的差 异 , 造成箍筋约束 与碳纤维约束混凝土的力学性 能 和约束效果各有其特点 。 收稿 日期 : 2 0 1 2 1 2 1 1 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 3 8 0 ) ; 教 育部 高等学校博士学科点专项科研基金( 2 O 1 l 6 O 1 2 O l 1 ( ) 0 4 ) 作者简介 : ,( 1 9 6 2 一 ) , 男 , 副教授 , 主要从事 钢结 构稳定 与抗震
11、研究 , ( E - ma i l ) x a s x z g 1 6 a c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 惠宽堂, 等 : 碳纤维约束与箍筋约束混凝土轴压性能对比 1 2 约束 混凝 土受 力性 能和 机理 箍筋配置在混凝土内部 , 可为单个箍筋, 也可为 各种形式 的复合箍筋 , 除保护层混凝土不受约束外 , 箍筋所包 围的混凝土均受有不同程度的约束。碳纤 维一般将混凝土包裹在 内, 包裹可以为单层或多层 的连续包裹 , 也可为每隔一定 间距包裹 , 包裹内的混 凝土均受有不 同程度的约束 。图 1为箍筋约束与碳 纤 维 约 束 混
12、凝 土 轴 心 受 压 应 力 一 应 变 关 系 的 曲 线L 2 , 由图可知 , 约束能 明显改善混凝 土的受 力 性能, 特别是应力一 应 变曲线峰值点后 的性能 , 且 随 约束水平的提高下降段变得平缓 ; 当约束水平很 高 时 , 曲线还 会 表现 出一定 的硬 化现 象 。 图 1 约束混凝土应 力一 应 变曲线 箍筋与碳纤维约束混凝 土的受力 机理类似口 , 由于拱效应 ( 图 2 ) 的存在, 截面可分 为弱约束 区和 强约束区 2部分。约束效果与箍筋形式、 间距 、 配箍 率以及 C F R P的包裹形式、 层数 、 用量等有关。由于 箍筋较碳纤维 片材刚度大 , 沿横截面
13、箍筋的约束效 果高于条带碳纤维约束 ; 全包碳纤维的试件沿 纵向 不存在弱约束区。 , f 、t f 、 f b ) 纵截面 约束区 图 2约 束 混 凝 土 的拱 效 应 2 约束 混凝 土轴心受压 力学性能 的主 要影响因素 试验数据取 自各 国箍筋和碳纤维约束混凝 土轴 心受压 的试验研究数据 删 , 试件数量共计 1 2 6个 , 其中箍筋约束混凝土试件 9 0个, 碳纤维约束混凝土 试件 3 6 个 , 所选 的试验数据不包括有预加轴力和部 分参数不 明确 的试件。箍筋约束混凝土的主要影响 因素包括箍筋强度 、 箍筋体积配箍率和混凝土强度 。 文献E 2 , 9 , 1 1 , 1
14、3 试件的参数考虑 了上述 3种因素 的影响, 箍筋形式包括矩形箍、 菱形箍、 井字箍 、 八角 箍 。文献 3 4 , 1 6 一 8 3 试件 考虑 了箍筋体积配箍率 、 箍筋形式 的影响, 箍筋形式包括矩形箍 、 菱形箍 、 井 字箍、 十字箍 、 八角箍 。混凝土 强度等级 的范 围为 C 2 0 C 8 0 , 箍 筋屈 服强 度 的 范 围为 2 3 1 7 7 0 MP a ; 箍筋体积配箍率的范围为 O 8 8 5 5 3 ; 配箍特 征值 的范围为 0 0 2 1 9 1 2 6 4 。碳纤维约束混凝土 的主要影响因素包括纤 维强度 、 体积 含纤率 和混凝 土强度。所有文献
15、的试件均考虑了体积含纤率的影 响 , 文献 6 7 , 1 0 试件包裹方式为全包 , 其他文献 中 含有条带包裹的形式 ; 文献 8 试件考虑了不 同混凝 土强度的影 响。混凝土强度 等级 的范 围为 C 2 0 C 8 0 , C F RP抗拉强度的范 围为 1 8 0 0 4 8 1 0 MP a , 弹性模量的范围为 2 2 0 2 4 1 G P a , 体积含纤率的范围 为 0 1 1 1 4 5 , 含纤 特征 值 的 范 围 为 0 0 5 2 1 0 3 8。 2 1 体积 配箍 率和 含纤 率 约束材料的用量对约束混凝土的力学性能有重 要影响, 笔者采用体积配箍率 p 和体
16、积含纤率 p f 来 表征材料用量的大小 。图 3为不同体积配箍率和含 纤率对约束 混凝 土应力一 应 变 曲线 的影 响 。 文献 3 4 所用试件 的混凝 土强度 等级分别为 C 8 0 和 C 5 0 , 考虑了体积配箍率和箍筋形式 的影响; 文献 5 , 1 0 试件的混凝土强度等级分别 为 C 3 0和 C 2 0 , 主要变化参数为纤维用量。由图 3可见 , 无论采用 箍筋还是碳纤维作为约束材料 , 增 加约束材料用量 能够较好的改善约束混凝土的强度和变形性能 。随 着体积含箍( 纤) 率的增加 , 应力一 应变曲线后期软化 趋势得到明显改善 , 特别是对碳纤维约束混凝土 , 随
17、含纤率的增加 , 约束效果更 明显。 ( a ) 箍筋约束 注 : 一 = 3 7 5 M P a = 3 o 8 M P a 一 , =7 6 - 1 M P a L = 2 6 5 M P a ( b ) C F R P 约束 注:一 = 2 2 4 M P af ,- 4 0 7 3 MP a 。 。= 2 6 4 MP a 4 0 1 3 MP a 图 3 体积配箍率和含纤率对应力一 应变 曲线的影响 2 2 约束材料强度 图 4为不同材料强度对箍筋( 碳纤维) 约束混凝 土应力一 应变曲线的影响 。文献 1 1 试件 的 擘一 狮 n 学兔兔 w w w .x u e t u t u
18、 .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 5 卷 混凝土强度等级为 C 8 0 , 考虑了箍筋强度和箍筋形 式的影响 ; 文献 5 7 , 1 2 3 中的试件具有相 近的混凝 土强度 和 纤 维 用 量 , 可 比较 不 同 纤 维 强 度 的影 响 。 由图 4可知 , 增加箍筋或碳纤维约束材料的强度能 在一定程度上改善约束混凝土的受力性能 , 但提高 效 果不 及增 加 材 料 用量 明显 。实 际 上 , 高 强 材 料 强 度优势 的发挥依 赖于材料用量的大小 , 在保证合理 的体积配箍率或含纤率 的前提下, 提高材料强度会 有效的提高约束混凝土的力学性能 。 (
19、a ) 箍筋约束 注: ,= 1 0 0 4 M P a P= 4 8 注: -f = 6 5 9 M P a p f= 2 7 ,= 8 1 8 MP a p= 3 3 = 2 6 4 MP a p f= O 3 3 图 4约束材料强度对应力一 应变 曲线 的影 响 3 3混 凝 土强度 图 5为不同? 昆凝土强度对箍筋 ( 碳纤维) 约束混 凝土应力一 应变 曲线 的影 响 。 。文献 9 , 1 3 试 件箍筋的强度分别为 2 4 5 、 4 4 5 MP a , 考虑 了箍筋用 量和混凝土强度的影响; 文献 8 , 1 4 1 5 试件碳纤维 的强度 分别 为 4 0 3 0 、 1
20、8 0 0 MP a , 纤维 用量 和混 凝 土 强度为主要参数 。由图 5可知 , 随着混凝 土等级的 提高, 约束效果变弱 , 约束混凝土的强度和延性均有 所降低 。实际应用 中对于强度等级较高的混凝 土, 必须同时增大材料用量和约束材料强度 , 才能保证 达到理想的约束效果 。 0 O ( a ) 箍筋约束 ( b ) C F R P 约束 注: _ = 4 4 5 MP a p= 2 6 注: _ 1 8 0 0MP a P I:1 5 l , = = 2 4 5 M P a p = 1 7 仁4 0 3 0 M P a p r = 0 3 图 5混凝土强度对应力一 应 变曲线的影响
21、 上述分析表明 , 箍筋和碳纤维用量 、 强度和混凝 土强度等均对 约束 混凝土 的受力性 能有较大 的影 响。为反映上述 3个因素对于约束混凝土的综合影 响, 对箍筋约束混凝土 , 通常采用配箍特征值 一 I D - 厂 _厂 来体现约束混凝土 的受力性 能。图 6为不 同配箍特征值下 约束混凝 土应力一 应变 曲线_ 5 , 可 见 在箍 筋直径 和 强 度 不 变 的情 况下 , 随 着 配 箍 特 征 值的提高, 约束混凝 土的强度和变形都有相 应的提 高 。为便于 比较 , 对于碳纤维约束混凝土, 引入一个 与配箍特征值相类似的无量纲量参量含纤特征 值 , 用以反映碳纤 维的用量 、
22、 强度和混凝 土强度 的影响 。由图 6可知 , 增 大 含 纤特 征 值 能 明 显 改 善纤维约束混凝土的受力性能。 A f = = = p f f o f f ( 1 ) 式 中: _厂 为碳纤维的折减抗拉强度 , 考虑到约束混 凝 土在 达 到极 限强 度 时 , 实 测 碳 纤 维 的应 变 仅 为 其 0 极限应变的 2 3 左右, 故取 f 一 , 将实际抗拉 。 强度进行折减 ; P 为碳纤维 的体积含纤率 ; f c 为混 凝 土 的立方 体抗 压强 度 。 图 6配箍或含纤特征值对应力一 应变 曲线 的影 响 3 约束混凝土的强度和变形计算 3 1 抗 压 强度 大量试验表
23、明, 约束混凝土的峰值应力 与配箍 特征值或含纤特征值密切相关。因此 , 采用最 小二 乘法原理, 对现有试验数据进行 回归分析, 分别建立 了箍筋与碳纤维约束混凝土抗压强度 ( 即峰值应力) 的计算 公式 。 箍筋约束混凝土 : f c c 一 1 + 0 7 7 2 - ( 2 ) 碳纤维约束混凝土 : _J c c一 1+ 0 8 9 a 7 ( 3 ) _,c o 式中: -厂 c 为约束混凝土的抗压强度 ; f c 。 为无约束混 凝土的抗压强度。 按式 ( 2 ) 和式( 3 ) 计算的约束混凝土峰值应力计 算值与试验值的对 比如图 7 ( a ) 所示 , 计算值 与试验 值之
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