足尺寸GFRP管约束混凝土轴压试验研究.pdf

2 0 1 2 年 第 8期 (总 第 2 7 4 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 2 ( T o m l No 2 7 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM 1 NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 8 0 2 2 足尺寸 GF R P管约束混凝土轴压试验研究 谢攀 1 I ，许顺 德 。 ( 1 华南农业大学 水利 与土木工程学院 ，广东 广州 5 1 0 6 4 2 ；2 香 港理工大学 土木及结构工程学系 ，香港 9 9 9 0 7 7 ； 3 广东工业大学 土木与交通学院，广东 广州 5 1 0 0 0 2 ) 摘要： 作为一种新的组合结构形式 ， 维增强塑料( G F R P ) 管约束混凝土具有许多优于其他传统的结构形式的特点 ， 包括突出的抗腐蚀 性、 良好的延性和抗震性能。 现有的大量的关于 G F R P 管约束混凝土的研究都是基于小尺寸试验的基础上的。 进行了一批足尺寸 G F R P 管 约束混凝土短柱轴压试验， 试验结果再次验证了G F R P 约束混凝土所具有的优良的抗压性能。 同时， 试验结果也为可靠的预测足尺寸G F R P 约束混凝土的应力一 应变形为提供了有效的依据。 关键词： 足尺寸；轴压；G F R P 管；约束混凝土 中图分 类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 7 4 0 4 E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n f u l l - s c a l e GF R P - c o n f i n e d c o n c r e t e s u b j e c t e d t o a x i a l c o mp r e s s i o n X r E P an 1 ,2 XU S h u n d e ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r Co n s e r v a n c ya n d Ci v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t hC h i n a Ag r i c u l t u r e Un i v e r s i t y ， Gu ang z h o u 5 1 0 6 4 2 ， C h i n a 2 D e p a r t me n t o f Ci v i l a n dS t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， T h eH o n g Ko n g T e c h n o l o g y Un i v e r s i ty ， Ho n g Ko n g9 9 9 0 7 7 ， C h i n a ； 3 F a c u l tyo f C i v i l andT r ans p o r t a t i o nE n g i n e e ri n g ， G u a n g d o n gUn i v e r s i tyo f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： FRP c o n fin e d c o n c r e t e， a n e w f o r m o fh y b r i d s t r u c t u r a l me mb e r s ， p o s s e s s ma n y i mp o a n t a d va n t a g e s o v e r c o n v e n t i o n a l s t r u c tu r a l me mb e r s ， i n c l u d i n g t h e i r e x c e l l e n t c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a s we l l a s e x c e l l ent d u c t i l i ty a n d s e i s mi c r e s i s t a n c e T o e n a b l e r e l i a b l e d e s i g n o f c o n fi n i n g F RP j a c k e t s t h e s e s s s t r a i n b e h a v i o r o f F R P - c o n fi n e d c o n c r e t e s u b j e c t e d t o a x i a l c o mp r e s s i o n n e e d s t o b e p r o p e r l y u n d e r s t o o d and mo d e l e d A l a r g e a mo u n t o fr e s e a r c h h a s b e e n c o nd uc t e d o n t h e m， bu t t h e e x i s t i n g e x pe rime n t a l s t u d i e s h a v e b e e n l i mi t e d t o the t e s t i n g o f s ma l l s c a l e s pe c i me ns M a d e th e s e rie s o f f u l l s c a l e ax i a l c o mp r e s s i o n t e s t s o n GF RP c o n fin e d c o n c r e t e s h o r t c o l u mns T h e s e t e s t r e s u l t s c o n fir m t h e e x c e l l e n t a xi a l c o mp r e s s i v e r e s po n s e o fGF RP c o n fi n e d c o nc r e t e a s i n i t i a l l y e x pe c t e dAd d i t i o n a l l y， th e s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o u r o f ful l s c a l e GF RP- c o n fi n e d c o n - c r e t e i s p r o p e r l y i d e n t i fie d b y t h e s e t e s t r e s u l t s Ke ywor ds ： ful l - s e a l e ； a x i a l c o mp r e s s i o n； GF RPt u b e； c o n fin e dc o n c r e t e 0 引言 现今， 纤维增强复合材料( F i b r e r e i n f o r c e d p o l y me r ， F R P ) 由 于其轻质高强和优良的耐腐蚀性能被广泛的用于土木工程中， 包括一些新建建筑 ， 也包括一些旧建筑的修复和加固。 纤维增 强复合材料约束混凝 土作为一种新型的组合结构形式是由 A mi r Mi r mi r a n t 提出来的， 它结合了混凝土和 F R P两种材料 各 自优 良的性能 ， 体现出优良的结构和耐久性能。 而玻璃纤维 增强塑料( Gl a s s fi b e r r e i n f o r c e d p o l ym e r ， GF I ) 管又因其优 良 的力学性能、 良好的可模性以及低廉的价格也逐渐被应用到组 合结构领域。 为了在实际工程中能有效并安全的应用纤维增强复合材 料约束混凝土， 其极限状态必须通过大量的试验得到充分的了 解和有效的模拟。 特别对于轴心受压的 G F R P管约束混凝土来 说， 其极限强度和极限轴向应变更是直接与 G F R P管的厚度以及 环向极限拉应变、 弹性模量有关， 对此Mi r mi r a n t3 1 、 F a mt4 - 、 H o n g t61 、 L a mt7 4 、 李 9 1 、 秦【 l 0 】 、 钱 、 崔等人已经做了大量的试验研究 ， 但 是其中最大的试件直径也仅为 2 0 0 r n ln， 即小尺寸试验， 基于这 些小尺寸试验所得出的结论在足尺寸构件中的适用性是一个 令人关心的问题。 为了解决这个问题 ， 试验阐述了 5 根足尺寸 G F R P约束混凝土短柱在轴压状况下的试验结果。 试验的目的 在于3个方面： 研究 G F R P管的玻璃纤维缠绕角度和厚度对足 尺寸 G F R P管约束混凝土短柱轴向受压的影响； 足尺寸 G F R P 管约束混凝土短柱轴压试验数据与已有的约束混凝土分析模 型对比分析 ； 提供足尺寸试验数据以确认经典层板理论f l3 用于计算约束混凝土 G F R P管相关参数的适用性和误差。 1 试件 准备 5根 G F R P约束混凝土短柱外径为均为 4 0 0 m m( 不包括 G F R P管厚) ， 高度为 8 0 0 mm。 其他有关试件的参数见表 1 。 每一 个试件的名称以“ C C” 开头， 表示这是一个受轴压短柱； 接着跟 着一个数字( 即 7 0 或 8 0 ， 8 5 ) ， 表示 G F R P管缠绕的玻璃纤维与 轴向的夹角 ( 见图 1 ) ； 然后数字( 即4或 6 ) 代表玻璃纤维的缠 绕层数。 试件的排列顺序按照各自的 G F R P管对混凝土的环向 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 2 - 0 9 基金项 目 ：国家 自然科学基金( 5 l 1 0 8 0 9 6 ) ； 中国香港特别行政区政府研究委员会( P o l y u U 5 2 7 8 0 7 E) ； 香港理工大学( P o l y u U 1 - B B 7 Y) 7 4 段的斜率非常明显， 并且随着 GF R P管的 t ( 见表 1 ) 值增 加而增加 。 试件 c c _ 8 0 4和 c c - 8 5 - 4 、 试件 c c - 8 0 6和 c c - 8 5 - 6 分为 2组， 各组的 2个试件具有近似的第二线性斜率 ， 也说明 相比于 G F R P管纤维缠绕角度 ， 纤维缠绕层数对 G F R P管的约 束效应影响更大。 5根短柱各自的混凝土轴向应力一 应变曲线见图 5 ， 环向应 变为负， 是从安装在试件中部的8 个环向应变片读数的平均值。 分析图 4中的轴 向应力一 应变曲线 ， 所有的试件在轴向压 力作用下工作过程都分为三个阶段。 第一阶段： 应力应变曲线 几乎与混凝土控制试件一致， 近乎于直线。 此阶段混凝土产生的 环向变形很小， GF R P管对混凝土几乎没有产生约束作用。 第二 阶段： 应力应变曲线偏离初始直线。 此阶段混凝土开始接近素 混凝土极限轴向应力， 产生较大的环向应变， GF R P管对混凝土 的约束作用开始发挥作用。 第三阶段： 曲线的第二线性段的斜 率非常明显。 混凝土的泊松比基本稳定， 作为线弹性材料的G F R P 管， 其对混凝土的约束应力随着混凝土环向应变线性增加 ， 直至 纤维被拉断， 短柱也达到其轴向受压极限状态。 除了试验曲线以外 ， 由T e n g等 2 】 所提出的分析模型所得 的预测曲线也列于图 5中用于比较 。 T e n g等的模型【2 1 对 5 个 试件提供了非常近似的预测 ， 但是仍存在一定的误差 ， 可能是 以下 4个原因所造成的 ： T e n g等的模型 2 1 主要针对的是小 尺寸 F R P约束混凝土试件 ， 而本试验试件均为足尺寸 ； 相比 于 T e n g等文章2 1 中的试件 F R P为现场包裹 ， 本试验约束混凝 土短柱采用的是在工厂中加工好的 G F R P管； 利用层板理论 计算GF R P管环向弹性模量时， 未考虑树脂的作用， 低估了G F R P 管对混凝土的约束作用； 由于厂家给定的材料参数误差等原 因， 使得层板理论计算 G F R P管的环向弹性模量与实际情况有 所差别 。 5结 语 进行了 5个足尺寸玻璃纤维增强塑料管约束混凝土短柱 轴压试验。 如同先前的小尺寸试验一样， 足尺寸试验结果再次确 定了G F R P管约束混凝土短柱具有很好的延性。 试验的继续开 展将从以下 3个方面进行： 研究树脂含量对 G F R P管相关性 能的影响； 寻找更合适的试验方法来确定 G F R P管环向应变 以及环向弹性模量。 当更多的试验被完成， 足尺寸柱的试验结果 将更好的与小尺寸柱的结果进行比较， 以将小尺寸柱的结论更 好的适用于足尺寸柱。 致谢： 非常感谢香港理工大学结构实验室、 广东工业大学 结构实验 室和 广州纤力玻璃钢厂的技 术支持 。 参考文献： 1 MI R MI R A N A， S HA HA WY MA n e w c o n c r e t e - f i l l e d h o l l o w F RP c o m p o s i t e c o l a m ql 【 J 1 C o m p o s i t e s P a r t B ， 1 9 9 6 ， 2 7 ( B ) ： 2 6 3 2 6 8 【 2 MI R MI R AN A， S A MAA N M D e s i g n ， ma n u f a c t u r e a n d t e s t i n g o f a n e w h y b ri d c o l u n m J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 1 9 9 8， 1 2 ( 1 ) ： 3 9 4 9 3 MI RMI R AN A， S HA HA WY M B e h a v i o r o f c o n c r e t e c o l u m n s c o n fi n e d b y fi b e r c o m p o s i t e s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 7 ， 1 2 5 ( 5 ) ： 5 8 3 5 9 0 4 F A M A Z ， R I Z K A L L A S H B e h a v i o r o f a x i a l l y l o a d e d c o n c r e t e - fi l l e d c i c u l a r fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r t u b e s 硼 A C I S t ruc t u r a l J o u r n a l ， 2 0 0 1 ， 9 8 0) ： 2 8 0 - 2 8 9 5 F AM A Z ， R I Z K AL L A S HC o n f i n e me n t m o d e l f o r axi al l y l o a d e d c o n c r e t e c o n fi n e d b y c i r c u l a r 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 AC I S t ruc t u r al J o u r n al， 2 0 0 1 ， 9 8 ( 4 ) ： 4 5 1 - 4 6 1 6 HO N G W K， K I M H C ， YO O N S H E x p e ri m e n t o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h e n h a n c e m e n t o f c i r c u l a r c o n c r e t e c o l u m n c o n fi n e d b y c a r b o n t u b e s K C I C o n c r e t e J o u rna l ， 2 0 0 2 ， 1 4 ( 4 ) ： 1 3 9 1 4 4 7 L A M L， T E N G J G U l t i m a t e c o n d i t i o n o f F R P c o n fi n e d c o n c r e t e J J o u r n al 0 f C o mp o s i t e sf o r C o n s t ruc t i o n， 2 0 0 2 ， 8 ( 6 ) ： 5 3 9 5 4 8 【 8 L A M L ， T E N G J G， C H E U NG C H， e t a1 B e h a v i o r o f F R P - c o nfin e d c o n c r e t e u n d e r c y c l i c a x i a l c o m p r e s s i o n J J C e me n t and C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 o 4 ， 2 8 ( 1 0 ) ： 9 4 8 9 5 8 【 9 李杰， 元德 ， 李文晓 纤维增强塑料管约束混凝土本构模型试验研 究 J 1 同济大学学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) ： 4 6 1 4 6 6 1 O 秦国鹏， 王连广 ， 周乐 G F R P管混凝土组合柱轴压性能研究 J 工业 建筑， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 1 0 ) ： 7 2 7 5 【 1 1 】 钱鹏， 冯鹏， 叶列平G F R P管轴心受压性能的试验研究 J 天津大学 学报， 2 0 0 4 ， 4 0 ( 1 ) ： 1 9 2 3 1 2 】 崔文涛G F R P套管钢筋混凝土柱轴压力学性能研究【 D 大连： 大连 理工大学， 2 0 0 7 1 3 D A NI E L I M， I S H AI O E n g i n e e ri n g m e c h a n i c s o f c o m p o s i t e m a t e ri als M Ne w Y0 r k： Ox f o r d Un i v e r s i t y Pr e s s 。 2 0 0 6 【 1 4 J O N E S R M Me c h a n i c s o f c o mp o s i t e m a t e r i als M P h i l a d e l p h i a ； T a y l o r F r a n c i s ， I n c ， 1 9 9 9 【 1 5 F AM A Z， S A MI H RB e h a v i o r o f a x i a l l y l o a d e d c o n c r e t e - fi l l e d c i r c u l a r fi b e r - r e i n f o r c e dp o l y me r t u b e s j AC I S t ruc t u r a l J o u rnal， 2 0 0 1 ， 9 8 ( 3 ) ： 2 8 0 2 8 9 1 6 I n t e rna t i o n a l A s s o c i a t i o n fo r T e s t i n g Ma t e ri al s AS T M， D 3 0 3 9 D 3 0 3 9 M： S t a n d a r d t e s t me t h o d for t e n s i l e p r o pe r t i e s o f p o l y me r ma t rix c o mp o s it e m a t e ri a l s S We s t C o n s h o h o c k e n ， P a ， 1 9 9 5 【 1 7 I n t e rna t i o n a l A s s o c i a t i o n for T e s t i n g Ma t e r i al s A S T M， D 2 2 9 0 - 9 2 ： S t a n d a r d t e s t me t h o d for a p p a r e n t t e n s i l e s t r e n gth o f rin g o r t u b u l ar p l a s t i c s a n d r e i n f o r c e d p l a s t i c s b y s p l i t d i s k me t h o d S We s t C o n s h o h o c k e n ， P a ， 1 9 9 2 1 8 T E N G J G， C H E N J F ， S MI T H S T， e t a1F R P s t r e n gt h e n e d R C s t r u c t u r e s Z 】 ， Wi l e y ， N e w Y o r k ， 2 0 0 2 1 9 L O R E N Z I S L D， T E P F E R S R C o m p a r a t i v e s t u d y o f m o d e l s o n c o nfi n e me n t o f c o n c r e t e c y l i n d e r s w i t h fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r c o mp o s i t e s J J o u rnal o f C o mp o s i t e s fo r C o n s t r u c t i o n， 2 0 0 3 ， 7 ( 3 ) ： 2 1 9 2 3 7 2 0 L A M L ， T E N G J G U h i m a t e c o n d i t i o n o f fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me 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 f o r C o n s t ruc t i o n ， 2 0 0 4 ( 1 1 ) ： 5 3 9 5 4 8 【 2 1 T E N G J G， H U A NG Y L ， L AM L ， e t a 1 T h e o r e t i c al mo d e l for fi b e r r e i nfo r c e d p o l y m e r c o nfi 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， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 2 0 1 2 1 0 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 谢攀( 1 9 7 6 一 ) ， 女， 讲师， 硕士研究生， 从事结构工程研究。 厂东省广州市天河区 华南农业大学水利与土木工程学院 ( 5 1 0 6 4 2 ) 1 3 6 9 7 4 43 3 6 0 7 7 -