FRP约束RPC轴压圆柱受力性能试验研究

黄伟军

摘要：本文在RPC受力性能研究基础上，又进行16组32根FR，P包裹RPC短柱轴压试验，采集了各级荷载下试件的应变、位移和极限承载力等实验数据，探讨了不同类型FRP布包裹、FRP布的不同包裹方式对RPC极限承载力和变形能力的影响。

关键词：RPC；FRP；极限承载力：变形能力

引言

纤维布（简称FRP）以其强度高（约为高强预应力钢筋的2倍）、重量轻（约为钢材的1/5）、体积小和免锈蚀等优异性能，外包约束活性粉末混凝土（简称RPC）改善其脆性是一种完全新的途径。采用FRP包裹RPC能改善其延性小、变形差的缺点。混凝土结构是土木工程中应用最为广泛的一种结构形式。然而，随着时间的增长，由于自然作用和一些偶然作用的影响，结构混凝土时常受到损坏。对于受损害的混凝土构件工程中经常会用FRP对其进行加固，并且前人研究中关于CFRP加固混凝土的研究较为充分。近几年来。以天然玄武岩矿石为原料，高温熔融拉制而成的连续玄武岩纤维逐渐走入结构加固领域，这不光由于其强度高、无污染、性能稳定，同时同碳纤维相比，其还具有价格低廉的优点。目前，国内外对FRP约束普通混凝土和高强混凝土研究较少，而用FRP约束RPC在国内研究仍属空白。

1.FRP约束RPC短柱试件设计

为了确定RPC混凝土柱的轴压力学性能，所选择的构件长度必须恰当，过长的试件将出现弯曲变形，试验测得的抗力不能代表真实的抗压强度；试件过短，则端部效应的影响不能忽略。文献[3]在分析了大量试验结果的基础上，建议标准试件的长径比（L/D）应取为3—3，5。故本文试验的RPC柱试件采用钢模浇筑而成。钢模的长径比（L/D）为3。高度取为400mm，直径为133mm，见图1-1

2.RPC柱体制作

RPC短柱制作过程如下：

（1）把钢模拆开，在内表面均匀涂上一层凡士林，合上钢模上紧螺栓后，放上震动台，

（2）往钢模倒人适量的拌制好的RPC。

（3）将搅拌好的拌合物分三次投放，每投一次料，需使用震动台和震动棒同时振捣约1，5分钟，最后一次要投放到满溢出钢模20mm-30mm为止，再刮平柱的项面，然后用湿布覆盖防止表面混凝土因干缩开裂。

（4）由于混凝土的干缩会使柱的顶面不平整，而柱面不平整会影响混凝土抗压试验的调平和增大偶然偏心距，所以需在柱体拆模后，混凝土具有一定强度时，把顶面打磨平整。

3.FRP材料选用

3.1碳纤维布（CFRP布）

本次试验采用广州市实为建材有限公司的碳纤维布（cFRP布），该材料与配套胶粘剂共同使用，可构成完整的性能卓越的碳纤维布材增强体系。碳纤维布具有优异的物理力学性能，抗拉强度高于普通钢材的10～15倍，弹性模量与钢材接近，极适合约束混凝土，

3.2玻璃纤维布（CFRP布）

本次试验采用余姚市经纬玻纤的玻璃纤维布。该材料与上述实为建材的胶粘剂配合使用，可构成完整的玻璃纤维布增强体系。玻璃纤维布的抗拉强度不够碳纤维布强度高，但极限延伸率却比碳纤维高，对改善延性防止脆性破坏有重大贡献。

4.FRP约束RPC短柱轴压试验方法

4.1试件设计

本试验共制作了32根RPC短柱试件，核心RPC的配合比取水泥：硅灰：磨细石英粉：细砂=1：0.3：0.32：1.1。水胶比为0.20，高效减水剂掺量为2.5%。试件经1天成型后拆模，4天室内常温养护，放入高温高压蒸压釜养护8小时，蒸汽养护后，将其置于室内常温养护至28天龄期，打磨端部。试件情况见表3-1。试件编号中，英文字母CW系列为碳纤维布包裹系列，GW系列为玻璃纤维布包裹系列，HW系列为混杂纤维布包裹系列。

5.FRP约束RPC轴压柱特征参数探讨

从试验现象可以看出，用纤维布包裹RPC试件时，纤维布的主要作用是对内部RPC起约束作用，纤维布约束RPC是一种被动约束，随着RPC轴向压力的增大，横向膨胀促使纤维布产生环向伸长从而提供侧向约束力。约束机制取决于两个因素：RPC横向膨胀性能与外包复合材料的环向刚度。FRP约束混凝土应力一应变曲线呈现双直线模型，过渡区的应力水平约为无约束混凝土强度，若FRP的使用量过小则有可能令强度几乎没有提高。

在第一直线阶段，应力一应变曲线与非约束混凝土类似，混凝土未开裂，横向膨胀较小，纤维布环向应变很小。此时纤维布对混凝土的约束作用很小。在第二直线阶段。随着荷载的增大，内部RPC出现裂缝，体积膨胀，激发纤维布的环向变形，纤维布反过来对核心混凝土提供侧向约束，RPC的极限应变得以提高，推迟了RPC的开裂。由于内部RPC受到约束作用。当其应力达到峰值应力时，RPC仍可表现出较好的变形性能。此时，纤维中被动产生的拉应力得到充分发展，拉应力不断增大。当某处的纤维达到材料的允许极限应变时。纤维被拉断。试件破坏。在这种情况下，RPC的极限应力和FRP的极限应变是同时达到的，已有的FRP约束普通混凝土和高强混凝土圆柱体试件的试验中，绝大多数都发生这种破坏，但也有一些试验中因搭接长度不足出现由接头处的分离而导致的提前破坏，很多既有研究资料假定，纤维布的约束力与箍筋作用原理相似，通过拱作用有效地施加到核心混凝土上，拱作用发生在截面内以及纤维条带之间的纵向空隙处。若为条带包裹，在纤维布包裹到的截面内，RPC所受到的约束最大，有效约束区面积最大：在相邻纤维布条带的中间截面上，约束作用最弱，有效约束区面积最小。试件的极限承载力取决于最弱的截面，因此，条带包裹试件的承载力不如全包的增强效果好：条带间距越大，相邻纤维布条带的中间截面上的约束越弱，试件的极限承载力越小。

6.结果讨论与分析

6.1玻璃纤维布（GFRP布）全包裹RPC柱的破坏

从强度角度考察，GFRP包裹RPC柱提高的幅度比CFRP要小，但却消耗了核心混凝土脆性破坏的巨大能量，改善了延性。从变形角度考察，GFRP与RPC能够变形协调，因此GFRP约RPC柱的竖向位移有较大的增长，变形能力有较大的提高。

6.2碳纤维布（CFRP）全包裹RPC柱的破坏

从强度方面考察，CFRP提高RPC柱的极限承载力幅度比GFRP大，与RPC柱协同工作，使RPC柱的近似弹性工作区段得到了增加，但因CFRP的极限延伸率比GFRP低，对柱塑性的提高不明显。从变形方面考察，CFRP约束RPC柱竖向位移有增长，但相对GFRP来说效果不够理想，建议采用复合纤维包裹方式。

6.3碳纤维布条带包裹RPC柱的破坏

从强度方面考察，分条包裹在相同层数方面强度提高稍有降低，但若按体积使用率算，同样的CFRP包裹量分条包裹强度提高幅度比全包更大。从变形方面考察，分条包裹的总体延性要比全包裹略低，但分条包裹破坏前有先兆，有清脆的碳纤维布断裂声音，建议在碳纤维布包裹RPC时混合使用全包和分条包裹，尤其在RPC柱端部1/3处应多层包裹。

6.4混杂纤维布（HFRP布）全包裹RPC柱的破坏

从强度方面考察，HFRP混合约束RPC比CFRP约束RPC能显著提高其强度，并且破坏具有一定的先兆，相对CFRP能较清楚听到纤维断裂声音，加载过程中有类似屈服阶段的应力一应变曲线。从变形方面考察，HFRP混合约束RPC比GFRP约束RPC能极大地提高其极限应变，这主要是因为试件受碳纤维布约束的弹性工作段得到了大的增加，而玻璃纤维布本身极限延伸率高，故复合使用两种纤维能获得理想的效果。