BFRP约束混凝土方柱试验与理论值比较

祝 军 权

(广东中山市新环环保工程有限公司，广东 中山 528400)

BFRP约束混凝土方柱试验与理论值比较

祝 军 权

(广东中山市新环环保工程有限公司，广东 中山 528400)

在试验的基础上，对采用BFRP约束钢筋混凝土方柱试验强度和理论强度模型公式得出的强度进行了比较并研究了尺寸效应对加固效果的影响，分析结果表明：通过合理选择理论强度模型公式,可较好地计算纤维布加固混凝土柱的轴心受压性能，不同尺寸的混凝土方柱存在较明显的尺寸效应。

BFRP，混凝土方柱，尺寸效应

混凝土力学性能的尺寸效应是多年来研究的热点和难点问题，因此国内外进行了大量试验和理论分析。如Bazant和Xiang[1]利用劈裂裂纹带模型结合实验研究分析了几何相似素混凝土柱在轴压下的强度的尺寸效应；Sener等人[2]实验研究了几何相似钢筋混凝土方柱的强度，表明其强度与Bazant等人[3-4]早期提出的尺寸效应率一致。目前国内外关于FRP约束方柱体的模型研究很多，通过对现有的计算模型分析比较，可知已有的极限强度计算公式，有的是直接引用箍筋约束混凝土公式；有的是根据FRP约束混凝土方柱的试验数据回归得到的，由于试验数据数量的限制，精度不高；有的计算方法还较复杂。Teng[5]等分析汇总的模型结果显示，计算精度相对较高。同时，考虑了箍筋的约束情况、截面形状系数、倒角的影响、FRP的间距以及FRP的极限拉应力、层数等因素，预测精度相对而言较高，和试验数据吻合的较为接近。

1)试验设计。

本试验选用的试件为钢筋混凝土方柱，其尺寸为b×h(b为正

方形截面边长，h为柱高),为使试件中部摆脱端部摩擦力的影响，处于单轴均匀受压状态，取h/b=5；试件分为三种尺寸，其中每种尺寸分别有包BFRP的5个，没包的分别为4个，总共27个试件，加固的方柱采用全包的粘贴方式(见表1)。

表1 试验试件参数表

实验中所选用的水泥为江西省上高县界埠水泥有限责任公司生产的“泥海”牌32.5级普通硅酸盐水泥；粗骨料为卵石，最大粒径25 mm，其堆积密度为1 620 kg/m3，表观密度为2 635.5 kg/m3,空隙率为38.53%,含水率为0.244 %；细骨料为河砂，细度模数为2.22；外加剂为江西省创新外加剂有限公司生产的聚羧酸盐高效减水剂LCX-9。

2)不同尺寸钢筋混凝土方柱试验数据及对比分析见表2。

表2 不同尺寸钢筋混凝土方柱试验数据及对比分析表

“A0”则表示为没有粘贴BFRP布加固的尺寸100 mm×100 mm×500 mm方柱；“C4” 则表示为粘贴了4层BFRP布加固的尺寸200 mm×200 mm×1 000 mm方柱。

3)主要就比较典型的Teng[6]等的计算模型进行分析。

模型的数学表达式(1)。

(1)

(2)

其中，ke，kf，kg2分别为截面形状系数、倒角应力降低系数、FRP间距影响系数。本试验采用的是全包所以kg2=1.0，把截面形状系数ke、倒角应力降低系数kf用一个字母φ来表示，即：

本实验所选用的玄武岩纤维材料为布状材料，且ffrp′是根据BFRP布厂家提供的ffrp′值确定的。约束混凝土试件的轴压试验中，在试件破坏的极限形态实际测得的玄武岩纤维布的横向拉应变定义为碳纤维布的有效拉应变εfrp，纤维布的有效拉应变不大于材性试验提供的纤维布的极限拉应变εbfrp。

FRP构件的理论值和试验值比较见表3，荷载曲线见图1。

4)比较结论。

从表3比较的结果可以看出，混凝土试块的抗压强度都随着玄武岩纤维布包裹层数增加而增加。但试验柱极限强度的增长基本与玄武岩纤维布用量呈正比。且试验值的精度较高与理论值基本吻合。另外，在相同的BFRP加固率的情况下，不同尺寸的试件极限强度提高的幅度随着尺寸的增大而降低，这也说明FRP约束几何相似的钢筋混凝土方形柱之间存在尺寸效应现象。

5)约束钢筋混凝土方形柱强度尺寸效应分析。

表3 FRP构件的理论值和试验值的比较

通过对试验数据的定性分析，可以看出纤维布包裹层数、包裹方式、被加固构件的截面形状、倒角半径等这些因素都对加固后的混凝土强度有显著的影响。表4为钢筋混凝土方形柱试件的尺寸效应结果。图2为试件直径大小与其抗压强度提高幅度之间的对应关系。

表4 外包玄武岩纤维的不同尺寸试件结果比较

从图2可以看出构件尺寸越大，抗压强度越小，因为BFRP外包钢筋混凝土方柱存在着尺寸效应。从上图可以看出对相同的纤维布加固率来说：

a.加固BFRP的构件强度随着构件的尺寸越大对于相同尺寸加固BFRP和未加固的比较提高幅度越小。

b.加固BFRP的A2，B3，C4对于A0可以看出是随着A2，B3，C4减小的趋势。这是因为加固BFRP的几何相似体构件存在着尺寸效应。

[1] Bazant ZP,Xiang Y.Size effect in compression fracture:splitting crack band propagation [J].Journal of Engineering Mechanics,1997,123(2):162-172.

[2] Sener S,Barr BIG,Abusiaf H.Size effect in axially loaded reinforced concrete columns [J].Journal of structural Engineering,2004,130(4):662-670.

[3] Bazant ZP.Size effect in blunt fracture:concrete,rock,metal [J].Journal of Engineering Mechanics,1984,110(4):518-535.

[4] 钱觉时，黄煜镔.混凝土强度尺寸效应的研究进展[J].混凝土与水泥制品，2003(3):1-5.

[5] Yazic S，Sezer G I.The effect of cylindrical specimen size on compressive strength of concrete[J].Building and Environment,2007(42):2417-2420.

[6] Mmasia MJ,Gale TN,Shive NG.Size effect in axially loaded squ-are-section prisms strengthened using carbon fibre reinforced polymer wrapping [J].Canadian Journal of Civil Engineering,2004,31(1):1-13.

[7] GBJ 50010-2002，混凝土结构设计规范[S].

Finite element analysis of strength and size effection of square concrete columns reinforced by BFRP

ZHU Jun-quan

(GuangdongZhongshanXinhuanEnvironmentProtectionEngineeringCo.,Ltd,Zhongshan528400,China)

Based on experiments, the strengths and influence of size effection to reinforcement effect of square concrete columns confined by BFRP were studied by and the strengths analysised were compared with experimental ones. The results suggest that uniaxial compressed properties of specimens were predicted well by choosing finite element analysis model reasonably, square concrete columns of different sizes exist apparent size effection.

BFRP, square concrete column, size effection

1009-6825(2014)11-0054-03

2014-02-02

祝军权(1973- )，男，工程师

TU375.3

A