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环形截面柱中FRP约束混凝土的力学性能

Y、 L.Wong a，T.Yu a，J.G.Teng a，*，S.L.Dong b

^一香港理工大学土木与结构工程系，香港，中国B，土木工程系，浙江大学，杭州310027，中国

摘要: 本文介绍并解释了一系列带内孔FRP约束短柱轴压试验的结果，以检验FRP约束环形截面中混凝土的性能。这项研究的动机是需要了解和模拟混凝土的行为，在一种新形式的双层管柱（DSTCs）组成的钢内管，玻璃钢外管和混凝土填充两管之间。为此，对三种类型的试样进行了试验：FRP约束实心圆柱体（FCSCs）、FRP约束空心圆柱体（FCHCs）和短DSTCs。主要参数包括截面形状、孔隙率、内钢管径厚比和FRP管厚度。试验结果表明，内部空隙的存在降低了外部FRP约束的效果，但这种约束效果的损失几乎可以通过提供合适的钢管来完全补偿。结果表明，复合DSTCs中的混凝土受到两根钢管的有效约束，复合DSTCs中混凝土的荷载-轴向缩短行为与FCSCs非常相似。对于具有合适钢管和合理孔隙比的DSTCs的近似分析，可以使用FCSCs的现有应力-应变模型。

关键词: A.聚合物基复合材料；B.强度；D.力学试验；混杂柱

1.简介

近年来，纤维增强聚合物（FRP）作为混凝土柱的约束材料越来越受欢迎[1]，无论是在现有钢筋混凝土柱的FRP护套改造中，还是在新建筑中使用混凝土填充FRP管作为结构构件。由于FRP约束，混凝土的抗压强度和极限轴向压缩应变都可以显著提高[2,3]。第三位作者[4–6]最近提出了一种新的混杂FRP-混凝土-钢构件形式，包括内部钢管、外部FRP管和中间混凝土（图1a）。这些新的混合构件被称为混合双层管柱（DSTCs）或梁（DSTBs）。这两个管可以是矩形的，也可以是圆形的第三位作者[4–6]最近提出了一种新的混杂FRP-混凝土-钢构件形式，包括内部钢管、外部FRP管和中间混凝土（图1a）。这些新的混合构件被称为混合双层管柱（DSTCs）或梁（DSTBs）。这两个管可以是矩形的，也可以是圆形的-lar和可同心或偏心放置，当构件用作受重力荷载控制的梁（例如简支梁）时，内钢管的偏心放置特别有吸引力[7]。FRP管中的纤维单独或主要朝向环向，因为FRP管旨在限制混凝土并增强抗剪强度。如果需要，可以用混凝土填充内部空隙。这种新形式的混合构件试图结合所有三种组成材料的优点和DSTCs结构形式的优点，以提供优异的结构和耐久性性能。Teng等人[6]详细解释了新构件形式的原理及其预期优势，并给出了初步试验结果，以证明这种新构件形式作为柱和梁的一些优势，例如良好的延性和抗剪性。Yu等人[7]介绍了混杂DSTB弯曲性能的系统实验研究结果，以及基于纤维单元法的相应理论模型的结果。Yu等人[7]表明，这些DSTB的弯曲响应，包括弯曲刚度、开裂荷载和极限荷载，可以通过将内钢管移向受拉区或提供FRP钢筋作为附加纵向钢筋来显著改善。

Teng等人[6]解释说，这种新的构件形式的优点在用作柱时最为明显，而抗压性能是需要了解的主要结构方面。Teng等人[6]介绍了六个短杂交DSTC试样的试验结果，初步评估了DSTC的压缩性能。本文首次系统地研究了这种混杂DSTCs的压缩性能。试验方案包括18个DSTC试样、14个FRP约束空心圆柱体（FCHC）（图1c）试样和11个FRP约束实心圆柱体（FCSC）（图1b）试样。将DSTCs与FCSCs和FCHCs的性能进行了比较，以便更好地了解DSTCs中混凝土的性能。

2.FRP约束混凝土

已经对FRP约束混凝土进行了广泛的研究，使用FRP夹套约束的圆形实心圆柱体（即FCSC试样）（例如[1–3,8–12]）。这种FCSC试件中的混凝土被FRP夹套均匀地约束，这种均匀约束混凝土的性能现在已经被很好地理解。这种FRP约束混凝土具有近似双线性的应力-应变曲线，前提是外部FRP管的约束超过某个阈值[2]。FCSCs中混凝土的性能在很大程度上取决于外部FRP管的刚度和柱尺寸等参数。FCSCs的失效一般是由于FRP橡胶在达到环向抗拉强度时发生断裂。基于试验结果提出了许多FCSCs中混凝土的应力-应变模型，包括闭式表达式中的面向设计的模型（如[2]）和通过增量过程预测应力-应变曲线的面向分析的模型（如[12]）。试验结果现在可以通过一些现有的应力-应变模型（如Lam和Teng[2]以及Teng等人[12]提出的模型）进行精确预测。

相比之下，FRP约束混凝土在圆形截面以外的截面中的性能还没有很好的理解。在矩形截面和环形截面等非圆形FRP约束截面中，混凝土受到不均匀约束。已经对矩形截面中的FRP约束混凝土进行了大量的研究（例如[13]），但关于环形截面中FRP约束混凝土的性能的信息非常有限[14–16]。

Fam和Rizkalla[15]报告了四个FCHC试样的试验结果，表明FRP约束对FCHCs混凝土的效果不如FCSCs混凝土。Fam和Rizkalla[15]还报告了两项关于FRP混凝土DSTC的试验，内管和外管均由FRP制成。这些作者报道，由于FRP内管的存在，这种FRP混凝土DSTC在FRP约束混凝土的有效性方面优于FCHCs。然而，这些有限的试验结果并不能阐明许多参数对FCHCs和DSTCs性能的影响。Fam和Rizkalla[14]以及Becque等人[16]介绍了他们对FCHCs和FRP混凝土DSTC建模的尝试。这些模型被证明对Fam和Rizkalla的有限测试结果提供了合理的预测[15]，但它们的广泛有效性尚未建立。

3.轴向压缩试验

3.1.试样

共制备和测试了43个样本，其中DSTC样本18个，FCSC样本11个，FCHC样本14个。所有标本的外径为152.5毫米，高度为305毫米。表1总结了试样的其他细节。试件分七批（“1–7”）浇筑，除第4批外，其他混凝土配合比相同。在第4批中，采用较小的水灰比以生产更高等级的混凝土。由此产生的混凝土强度在36.5–40.1 MPa的狭窄范围内变化，但第4批混凝土强度为46.7 MPa。

第1批和第2批的设计主要是研究DSTC试样的性能以及不同外FRP管和不同内钢管的影响。第1批包括三对DSTC试样，唯一的变量是外FRP管的厚度，以及三对相应的FCSC试样进行比较。每一对名义上是相同的，三对DSTC或FCSC覆盖了三种不同的FRP管厚度，分别由一层、两层和三层FRP组成。第2批仅包括三对DSTC。同样，每对试样名义上是相同的，三对DSTC分别有单层、双层和三层FRP管。第1批DSTCs的孔隙比/（环形混凝土截面的内径和外径之间的比值）为0.5，与第2批DSTCs的孔隙比相似，后者为0.58。这两个批次的DSTC之间唯一的主要区别在于所用的钢管。第一批钢管的直径与厚度之比为23，而第二批钢管的直径与厚度之比为42。将第1批和第2批DSTCs的试验结果进行比较，可以预期显示较厚的钢内管的效果。应注意的是，Teng等人[6]之前提交了第1批样品，以对DSTC的行为进行初步评估；本论文也包括了这些样品，因为它们是更大系统研究的组成部分。

第3、4和5批的设计旨在阐明FCSC、DSTC和FCHC样品之间的行为差异以及孔隙比的影响。每批由两个名义上相同的DSTC试样、两个名义上相同的FCHC试样和一个FCSC试样组成，其中DSTC和FCHC试样具有相同的孔隙比。选择三批试样（见表1）的孔隙尺寸，使其孔隙比覆盖相当大的范围（分别约等于1/4、1/2和3/4）。尽管孔隙比不同，但这三批钢管的D/t比相似（见表1）。在第4批中，设计了更高的混凝土标号，以避免第1批中的重复试件，并研究混凝土强度的影响，尽管两批之间的混凝土强度差异远小于预期值。

第6批和第7批设计用于研究FCHC试样的性能，包括孔隙比的影响和FRP管厚度的影响。每批包括两个名义上相同的双层和两个名义上相同的三层FCHC试样。这两批试样的主要区别是孔隙大小不同。这两批试样的孔隙比设计为分别等于0.58和0.75，以便与第2批和第3批试样进行比较。此外，第7批中还包括一个双层和一个三层FCSC试样，以进行比较。

每个试样都有一个名称，以字母（lsquo;Drsquo;、lsquo;Srsquo;或lsquo;Hrsquo;）开头，表示试样类型（见表1），后跟一个表示混凝土强度的两位数，然后是一个字母（从lsquo;arsquo;到lsquo;Drsquo;），表示仅DSTC和FCHC试样（见表1）的孔隙比（0.28、0.50、0.58和0.75）用一个数字来定义FRP管中的层数。末尾的罗马数字用于区分名义上相同的标本。例如，试样D40-B1-II是具有单层FRP管、孔隙比为0.50且混凝土圆柱体抗压强度为40 MPa的一对试样中的第二个DSTC试样。

3.2.材料性能

六个FRP试件的拉伸试验按照ASTM标准[17]进行。试验结果表明，研究中使用的FRP的平均抗拉强度为1825.5 MPa，平均弹性模量为80.1 GPa，基于每层0.17 mm的标称厚度。

每批试验3个素混凝土圆柱体（152.5mm·305mm），测定混凝土圆柱体抗压强度。从这些混凝土圆柱体试验中获得的平均混凝土强度如表1所示，而其他混凝土性能如表2所示。在这些表格中，Ec、Fc和eco分别表示弹性模量、峰值应力（即圆柱体抗压强度）和峰值应力下的轴向应变，其中弹性模量见参考文献[18]。对于第7批，H33-C2-I和H33-C3-I试样的无侧限混凝土性能与H37-C2-I和H37-C3-I试样的无侧限混凝土性能不同，因为这两组FCHCs分别在29天和47天龄期进行了试验，在FCHCs试验当天，通过两组FCHC试样共用三个素混凝土圆柱体和两个素空心圆柱体，获得了它们的无侧限混凝土性能（见表2中的脚注）。

在每批“3–7”中，测试两个与同批FCHC试样具有相同内部孔隙尺寸的普通空心混凝土圆柱体（外部尺寸为152.5 mm·305 mm），以阐明内部孔隙是否以及如何影响混凝土的抗压强度。如此确定的混凝土强度在表2中用fchin表示

空隙对混凝土强度的影响很小或很有限，且这种影响随着混凝土强度的增加而增大。

对每种钢管进行了三个钢试件的拉伸试验。试样沿纵向从钢管上切下，并按照参考文献[19]进行试验。表2列出了每种钢管的弹性模量（E）、屈服强度（fy）和极限抗拉强度（fu）的平均值。

此外，对于每种类型的钢管，从提供DSTC和拉伸试件用钢管的同一长钢管上切下的三根空心钢管在轴向压缩下进行试验。钢管的高度与DSTC试样相同（305mm）。除第5批的三根钢管外，所有这些钢管都表现出较大的塑性变形，直到发生象脚模式的局部屈曲（图2a）。第5批的钢管也显示出较大的塑性变形，但由于整体屈曲和局部屈曲的组合而失效（图2b）。这是因为这些管子的直径更大

图2 空心钢管在轴向压缩下的屈曲

表2实测材料性能

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