考虑尺寸效应的FRP约束混凝土轴压圆柱的本构模型和变参数研究.pdf

2 0 1 6年 第 1期 (总 第 3 1 5期 ) Nu m b e r 1 i n 2 0 1 6 ( T o t a l N o 3 1 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 1 0 2 1 考虑尺寸效应 的 F R P约束混凝土轴压圆柱的 本构模型和变参数研究 龙跃凌 。卜 方坛 。 黄启山 ( 1 广东工业大学 土木与交通工程学院， 广东 广州 5 1 0 0 0 6 ； 2 华南理工大学 建筑学院， 广东 广州 5 1 0 6 4 1 ) 摘要： 在现有标准试件 的F R P约束混凝土本构模型基础上 ， 提出了考虑尺寸效应的 F R P约束混凝土轴压圆柱的本构模型。 应 用该模型对国内外大量不同尺寸的 F R P约束混凝土轴压圆柱试件进行计算 ， 计算 曲线与试验曲线比较， 结果整体吻合 良好。 表 明所提出的本构模型不仅能考虑尺寸效应的影响， 还对不 同材质的F R P约束混凝土具有较好适用性。 最后应用所提 出的本构模 型进行变参数研究。 研究表明， 在约束应力相同时 ， 随试件尺寸增大 ， F R P约束混凝土轴压圆柱极限应力和极限压应变均下降。 其下降幅度， 随混凝土强度减少而增加。 即F R P约束普通混凝土的尺寸效应较 F R P约束高强混凝土明显。 另外 ， 混凝土强度相 同时， 约束应力较大( 强约束) 的 F R P约束混凝土的尺寸效应比约束应力较小( 弱约束) 的F R P约束混凝土小。 关键词 ： F R P ； 本构模型； 尺寸效应 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： i 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 8 8 0 5 C on s t it u t i v e mo d e l f o r a x i a l l yl o a d e d F RP c o n f i n e d c o n c r e t e c o l u mn s i n c l u d i n g s i z e e ff e c t s a n d p a r a me t r ic s t u d y LO NG Y u e l i n g ， BUF a n g mn ， HU A NG Q i s h a n ( 1 S c h o o l o f Ci v i l a n d T r a n s p o r t a ti o n E n g i n e e r i n g ， Gu a n g d o n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 6， C h i n a ； 2 S c h o o l o f A r c h i t e c tu r e ， S o u t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 ， C hin a ) Abs t r ac t ： Ba s e d o n t h e a v a i l a b l e c o ns tit u t i v e mo d e l f o r a x i a l l yl o a d e d s t a nd a r d F l I P c o n fin e d c o n c r e t e c o l u mns ， a c o n s t i t u tiv e mo d e l f o r a x i a l l yl o a de d FRP c o n fin e d c o nc r e t e c o l umn s i n c l u d i n g s i z e e f f e c t s wa s p r o p o s e d Th e p r o p o s e d mo d e l wa s a p pl i e d i n c o mp u m- t i o n s for a l a r g e n u mbe r o f a x i a l l yl o a d e d F RP c o n fin e d c o n c r e t e c o l u mn s i n va r i o us s i z e s Co mp a r i s o n s b e t we e n t h e c ur ve s b y t h e p r o p o s e d mo d e l a n d e x p e r i me n t a l o n e s s ho w a g o o d a g r e e me n t I t s ho ws t h e s i z e e f f e c t s c a n b e c o n s i d e r e d i n t he p r o p o s e d mo de l a nd t h e m o d e l i s a pp r o p r i a t e fo r c o n c r e t e c o n fin e d b y va rio u s F RPs Fi n a l l y， a para me c s tud y b a s e d o n t h e p r o p o s e d m o d e l wa s c a r r i e d o ut Re s u i t s s h o w bo t h the u l t i ma t e s t r e n g th a n d the u l t i ma t e s tr a i n o f a x i a l l yl o a d e d F RP c o n fin e d c o n c r e t e c o l u mn s d e c r e a s e wi th t h e s i z e i n c r e a s i n g wh e n the c o n fin i n g s t r e s s e s a r e the s a me F u r t h e r mo r e， the d e c r e a s e i s mo r e ob v i o u s for l o we r s tre n g th c o n c r e t e Na me l y， the s i z e e f f e c t s o f FRP c on fi n e d n o r ma ls tre ng th c o n c r e t e are l arg e r tha n t h os e of F RP c o n fin e d h i g hs tre n g t h c o nc r e t e I n a d di ti o n， the s i z e e f f e c t s o f F RP c on fin e d c o n c r e t e u n d e r l a r g e c o n f i n i ng s tre s s e s a r e s ma l l e r tha n thos e o f FRP c o n fin e d c o n c r e t e u nd e r s ma l l c o n fi n i n g s tre s s e s wh e n t h e c o n c r e t e s t r e n gth i s th e s a l n e Key WOr ds： FRP； c o n s t i t u ti v e mo d e l ； s i z e e f f e c t 0 引 言 近年来 ， F R P约束混凝 土的力学性能 的相关研究成为 混凝土研究 的热点 之一。 国内外的相关研 究主要 集 中在 F R P约束混凝土力学性能的试验研究 ， 并在试 验研究 的基 础上建立 了 F R P约束混凝土本构模型 。 然而 ， 上述本 构模型都是基 于标准尺寸试件 ， 并没有考虑尺寸效应 的影 响。 本试验在现有标准试件的 F R P约束混凝土本构模型 基础上 ， 对其进行修正 ， 提出了能考虑尺寸效应 的 F R P约 束 昆 凝土轴压圆柱的本构模型。 1 现有标准试件的 F R P约束混凝土本构模型 目前， F R P约束混凝土本构模型主要有以下几种： ( 1 ) Mi r m i r a n和 S h a h a w y模 型 ； ( 2 )S p o e l s t r a和 Mo n t模 型 ； ( 3 ) C h u n和 P a r k模 型 ； ( 4 ) B i n i c i 模型 ； ( 5 ) T e n g 模型 ； ( 6 ) F a m 和 R i z k a l l a模型 ； ( 7 ) H a r r i e s 和 K h ar e l 模型 ； ( 8 ) Mar q u e s 模型 。 以上模型均基于直径为 1 5 0 r n r n 、 高 3 0 0 m m 的标准圆 柱体试件试验数据建立 ， 即没有考 虑尺寸效应的影 响。 先 前研究表明 ， T e n g 模型能更好的反映 F R P约束混凝土的 轴压性能， 在现有模型中与标准圆柱体试 件数据稳合最好 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 -0 3 -O 1 基金项 目： 国家自然科学基金项目资助( 5 1 0 0 8 0 8 5 ) ； 广州市珠江科技新星专项资助( 2 0 1 2 J 2 2 0 0 1 0 0 ) ； 中国博士后科学基金资助项 目( 2 0 1 4 T 7 0 8 0 7 2 0 1 2 M 5 1 1 8 1 0 ) ； 广东工业 大学大学生创新项 目( x j 2 0 1 4 1 1 8 4 5 0 5 6 ) 8 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 因此， 本研究以T e n g模型为基础， 结合国内外大量不同尺 上述计算式中的参数及计算详见文献。 专 圆 T柱en 妻 雾 2考 虑 尺 寸 效 应 的 修 正 模 型g 修 正 ，使 其 能 考 虑 尺 寸 效 应 。 模 型 的 表 达 式 简 述 如 下 ： 巧 庙 八 -J 舣 一 。犬 上 。 ( s 。 三) r ， 二一r 一 1+( s 。 s 三 ) f ! ：f ： c o +3 1 + 5 (甓一 ) - o -s s ( ) ( 1 + o ( ) 】 -07 e _ 7( ) ) ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) = d= R= R ( 5 ) J l 、 ， 先前试验研究表 明 1 5 3 ， T e n g 模 型不适用于不 同尺寸 的试件， 特别是大尺寸试件。 为了进一步探索 F R P约束混 凝土的尺寸效应和验证所提本构模型 的正确性 ， 本试验制 作了 9个 不 同尺 寸 的 G F R P约 束 混凝 土 轴压 圆柱试 件 ( B 1 B 9 ) 进行试验研究。 试件参数见表 1 。 结合先前试验 研究 的 9个不同尺寸的 G F R P约束混凝 土轴压 圆柱试 件( S 1 1 s 91 ) 、 文献 1 6 的 5个 不 同尺寸 的 G F R P 约 束混凝土试件 、 文献 1 71 8 的7 个不 同尺寸的B F R P 表 1 用于验证模型的试件参数 89 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 或 C F R P约束 混凝土试件 、 文献 1 9 的 1 2 个 不同尺寸的 A F R P约束混凝土试件等共计 4 2个试件的试验数据( 试 件参数均列于表 1 ) ， 反复分析试算 比较 ， 发现尺寸效 应主 要表现为试件的侧 向约束应力和极限应 的大小 随试件 尺 寸 的变化 。 因此 ， 对 T e n g模型进行修正 ， 使其能考虑 尺寸 效应 ， 提出的修正计算式如下 ： =一 学 ( 。 = = 一 f 詈 1 日 山 = 目 凸_ 1 2 0 8 0 4 0 O -0 环向应变 轴向应变 ( 1 ) B1 试件 0 2 0 01 0 O O 1 O O 2 O O 3 0O 4 0 O 5 环向应变 轴向应变 ( 2 ) B 2 试件 矗 sc c = O c o 1 + 5 ( 一 ) 0 5 + ( l+ 里 I 音 l I L ， 、 、 J 为了进一步验证所提出修正模型的正确性 ， 利用所提 出修正模型对本试验 的 9 个试件 和文献 1 5 1 9 部分试 件 的试验数据进行计算 ， 计算 的应力 一 应变 曲线与试验结 果 比较( 见图 1 ) 。 由图 1 可见， 计算 曲线和试验 曲线整体吻 合 良好 ， 计算 曲线的极限应力和应变与试验曲线的整体误差 在5 以 内， 表 明所提 出的本构模型不仅能考 虑尺寸效应 环 向应 变 轴 向应 变 ( 5 ) B 5 试 件 环 向应 变 轴 向应变 ( 9 ) B 9 试件 1O0 80 6 0 4 0 2 0 0 -0 环向应变 轴向应变 ( 1 3 ) s 4 一 l 试件 环向应变 轴向应变 f 3 ) B 3 试件 O 2 一 O O l O O O 1 O O 2 O O 3 环向应变 轴向应变 (4 ) B 4 试 件 ( 6 ) B 6 试件 f 7 ) B 7 试 件 环 向应 变 轴向应 变 ( 1 0 ) S 1 1 试件 环 向应 变 轴向应 变 ( 1 4 ) $ 5 一 l 试件 环 向应 变 轴 向应 变 ( 1 7 ) S 8 1 试件 9 0 环 向应 变 轴向应 变 ( 1 8 ) s 9 1 试件 环 向应 变 轴 向应变 ( 1 0 ) S 2 1 试 件 l 6O 1 2O 8 0 4 0 O ( 8 ) B 8 试 件 一0 O 2 0 0 O 2 0 O 4 环向应变 轴向应变 ( 1 0 ) S 3 1 试 件 环向应变 轴向应变 ( 1 5 ) s 6 一 l 试件 环 向应变 轴 向应变 f 1 9 ) C C 一 7 0 4 试件 环 向应 变 轴 向应 变 ( 2 3 ) C C - 8 5 6 试件 0 2 0 0 1 0 0 0 1 0 0 2 环向应变 轴向应变 ( 1 6 ) s 7 1 试 件 环 向应 变 轴 向应变 f 2 0 ) C C 一 8 0 4 试件 0 0 0 4 Oo o 8 轴向应变 ( 2 4 ) M3 0 一 B C 试件 E d 、 B d 苫、 R 茸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 轴向应变 ( 2 5 ) M3 0 一 B 2 试件 轴 向应 变 f 2 9 ) M3 0 一 C 3 试件 轴向应变 f 3 3 ) C A L 试件 轴向应变 ( 2 6 ) M3 0 一 B 3 试 件 轴向应变 ( 2 7 ) M3 0 一 C 1 试件 轴向应 变 ( 3 0 ) L 3 0 一 C 3 试件 轴 向应 变 ( 3 1 ) c A S 试件 轴 向应 变 f 2 8 ) M3 0 一 C 2 试件 轴向应变 f 3 2 ) c A M试件 轴 向应变 轴 向应 变 ( 3 4 ) c B S 试件( 3 5 ) c B M 试件 图 1 计算的应力 一应变曲线与试验结果 比较 的影响 ， 还对不同材质 的 F R P约束混凝土具有较好适用性。 3变参 数 研 究 应用所提出考虑尺寸效应 的 F R P约束混凝土轴压 圆 柱的本构模型分 别对不 同尺 寸大小 的 G F R P约束 普通混 凝土轴压圆柱和 G F R P约束高强混凝土轴压圆柱进行变 参数研究。 用于变参数研究的试件具体参数及计算结果见 表 2 ， 其 中普通混凝 土抗 压强度为 4 0 MP a ， 高强混凝土抗 压强度为7 0 MP a 。 在约束应力相同时， F R P 约束普通混凝 土的计算应力 一 应变 曲线 如 图 2 ( a ) 所 示 ， F R P约 束高强 混凝土的计算应力 一应变 曲线如 图 2 ( b ) 所示 。 如图 2和 表 2所示， 在约束应力相同时， 随着试件尺寸的增大， 无论 轴 向应变 ( 3 6 ) C B L 试 件 是 F R P约束普通混凝土还是 F R P约束高强混凝土 的极限 应力和极限应变均下 降。 F R P约束普通混凝土随着试件尺 寸的增大 ， 其极 限应力和极限应变的下降幅度较 F R P约束 高强混凝 土 大。即 F R P约束 普 通混 凝 土 的尺 寸 效应 较 F R P约束高强混凝土明显 。 另外 ， 通过 比较约束应力 较小 时的 D N1 、 D N 5试 件 和 约 束 应 力 较 大 时 的 D N11 、 D N 5 1 试件发现 ， 当普通混凝土强度相 同时 ， 约束应力较 大( 强约束) 的F R P约束普通混凝土的尺寸效应比约束应 力较小( 弱约束) 的F R P约束混凝土小。 类似的， 通过比较 约束应力较小时的D H 6 、 D H1 0试件和约束应力较大时的 D H 61 、 D H 1 01 试件 ， 发现 F R P约束 高强混凝 土亦有 类似的规律性。 表 2 用于变参数研究的试件参数及计算结果 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 凸_ 4 结语 环 向应 变 轴 向应变 ( a ) F R P 约束普通混凝土 环 向应变 轴 向应变 ( b ) F R P 约束高强混凝土 图2 变参数试件的计算应力 一 应变 曲线 本研究在现有标准试 件的 F R P约束混凝 土本 构模型 基础上 ， 提出了考虑尺寸效应的 F R P约束混凝土轴压 圆柱 的本构模型。 所提出的本构模型不仅能考虑尺寸效应 的影 响 ， 还对不同材质的 F R P约束混凝土具有较好适 用性 。 应 用所提出的本构模型进行变参数研究 ， 表明在 约束应力相 同时， 随试件尺寸增大 ， F R P约束混凝土轴压 圆柱极 限应 力 和极限压应变均下 降。 其下 降幅度 ， 随混凝 土强度减少 而增加 。 即 F R P约束普通混凝土 的尺 寸效应 较 F R P约束 高强混凝土明显。 另外 ， 混凝 土强度相 同时 ， 约束应力较大 ( 强约束) 的F R P约束混凝土的尺寸效应比约束应力较小 ( 弱约束) 的F R P约束混凝土小。 参考文献 ： 1 叶列平， 冯鹏 F R P 在工程结构中的应用与发展 J 土木工程 学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 3 ) ： 2 4 3 6 2 T E N G J G， H U A N G Y L， L A M L， e t a 1 T h e o r e ti c a l m o d e l f o r fi b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r c o n fi n e d c o n c r e t e J J o u r n a l o f C o m p o s i t e s for C o n s t r u c t i o n ， A S C E ， 2 0 0 7 ， 1 1 ( 2 ) ： 2 0 1 2 1 0 E 3 于峰 ， 牛荻涛 长细比对 F R P约束混凝土柱承载力的影响 J 土木工程学报， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 4 0 4 4 4 3杨俊杰， 周涛， 章雪峰 F R P管实 B , B凝土柱承载力的轴压试 验研究 J 建筑结构， 2 0 1 4 ， 4 4 ( 2 2 ) ： 7 2 7 5 5 肖建庄 ， 黄一杰 G F R P管约束再生混凝土柱抗震性能与损伤 评价E J 土木工程学报， 2 0 1 2 ( 1 1 ) ： 1 1 2 1 2 0 I- 6 L A M L ， T E N G J G D e s i g no ri e n t e d s tr e s s s t r a i n mo d e l f o r F R P c o n fi n e d c o n c r e t e J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i 一 9 2 a l s ， 2 0 0 3 ， 1 7 ( 6 7 ) ： 4 7 1 4 8 9 r 7 3 J I A N G T ， T E N G J G A n a l y s i s o ri e n t e d s tr e s s s tr a i n m o d e l s for F R Pc o n f n e d c o n c r e t e J E n g i n e e ri n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 1 ) ： 2 9 6 8 2 9 8 6 8 MI R MI R A N A， S H A H A WY M D i l a ti o n c h a r a c t e ri s ti c s o f c o n fi n e d c o n c r e t e J Me c h a n i c s o f C o h e s i v e F ri c ti o n a l Ma t e ri a l s ， 1 9 9 7 ， 2 ( 3 ) ： 2 3 7 2 4 9 9 S P O E L S T R A M R， MO N T I G F R Pc o n f in e d c o n c r e t e m o d e l J J o u rna l o f C o m p o s i t e s for C o n s t r u c ti o n ， A S C E， 1 9 9 9 ， 3( 3 ) ： 1 4 31 5 0 1 0 C H UN S S ， P A R K H C L o a d c a r r y i n g c a p a c i t y a n d d u c t i l i t y o f R C c o l u mn s c o n fi n e d b y c ar b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r c P r o c e e d i n g s， 3r d i nmma fi o n a l Co n f e r e n c e o n Comp o s i t e s i n I nf r a s t r u c t u r e ( C D R o m) ， 2 0 0 2 1 1 B I N I C I B A n a n a l y t i c a l m o d e l fo r s tr e s s s t r ai n b e h a v i o r o f c o n fi n e d c o n c r e t e J E n g i n e e r in g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 7 ) ： 1 0 4 0 1 0 51 1 2 F A M A Z， R I Z K A L L A S H C o n fi n e m e n t m o d e l fo r a x i l y l o a d e d c o n c r e t e c o n f i n e d b y c i r c u l ar fi b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r t u b e s J A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 2 0 0 1 ， 9 8 ( 4 ) ： 4 5 1 6 1 1 3 H A E E I E S K A， K H A R E L G B e h a v i o r a n d m o d e l i n g o f c o n c r e t e s u b j e c t t o v a ri a b l e c o n fi n i n g p r e s s ure J A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 2 0 0 2 ， 9 9 ( 2 ) ： 1 8 0 1 8 9 1 4 MA R Q U E S S P C， MA R Q U E S D C S C， D A S I I V A J L， e t a 1 Mo d e l for a n a l y s i s o f s h o r t c o l umn s o f c o n c r e t e c o n fin e d b y fi b e r r e i nfo r c e d p o l y me r J J o u r n a l o f C o m p o s i t e s for C o n - s t r u c t i o n ， A S C E， 2 0 0 4 ， 8 ( 4 ) ： 3 3 2 3 4 0 1 5 龙跃凌， 蔡兆琼， 黄启山， 等 G F R P管约束混凝土短柱轴压性 能和尺寸效应研究 J 混凝土， ( 已录用待T U ) 1 6 谢攀， 许顺德 足尺寸G F R P管约束混凝土轴压试验研究 J 混凝土， 2 0 1 2 ( 8 ) ： 7 4 7 7 1 7 齐建林 玄武岩纤维布约束混凝土圆柱轴心抗压性能试验研 究 D 广州： 广东工业大学， 2 0 1 1 1 8 余华秋 碳纤维布约束混凝土圆柱轴压性能尺寸效应试验研 究1- D 广州： 广东工业大学， 2 0 1 2 1 9 WA N G Y F ， wu H L S i z e e f f e c t o f c o n c r e t e s h o rt c o l u m n s c o n fi n e d w i t h a r a m i d F R P j a c k e t s J J o u r n a l o f C o m p o s i t e s for C o n s t r u c t i o n ， A S C E， 2 0 1 1 ， 1 5 ( 4 ) ： 5 3 5 5 4 4 第一作者： 龙跃凌( 1 9 7 8 一) ， 男， 博士， 副教授， 硕士生导师， 从事 结构工程研究。 联 系地 址 联 系电话 厂州市天河区东莞庄路 1 1 2号乙区 2 8 栋 一1 单元 一 9 0 2房( 5 1 0 6 1 0 ) 1 3 2 5 0 25 0 51 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m