frp约束混凝土力学性能影响因素研究

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1、1062009年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集FRP约束混凝土力学性能影响因素研究孙卓1张力文2(1．广州大学土木工程学院，广州510006；蒋丽飞1张俊平12．同济大学桥梁工程系，上海200092)摘要FRP作为一种新型人工复合材料，由于其强度高、密度低、施工简便、耐腐蚀性高、不增加构件截面尺寸等优点，被广泛应用于土木工程结构加固中。FRP约束混凝土本构关系、极限抗压强度、极限应变等力学参数是进行结构强度补强和延性加固的前提和基础。为使FRP约束混凝土更好的应用于工程实践。本文基于有限元分析手段和国内外近10年来关于FRP约束混凝土的试验研究与分析成果。深入分析和研究了约束比、

2、混凝土柱截面形状、尺寸、强度、FRP用量、模量和FRP强度，以及延伸率对FRP约束混凝土力学性能的影响。关键词FRP约束混凝土有限元分析纤维增强聚合物(FRP)是一种新型人工复合材料。由于其强度高、密度低、施工简便、耐腐蚀性强、不增加构件截面尺寸等优点，被广泛应用于土木工程结构加固中。尤其是在加固混凝土柱、桥墩方面，通过有效限制混凝土柱的侧向膨胀变形来提高其强度和延性。研究FRP约束混凝土的本构关系、极限抗压强度、极限应变等力学参数是进行结构强度补强和延性加固的前提和基础。为使FRP约束混凝土更好地应用于工程实践，笔者基于国内外近10年来关于FRP约束混凝土的试验研究与分析成果，结合有

3、限元分析手段，深入分析和研究了约柬比、混凝土柱截面形状、尺寸、强度、FRP用量、模量和FRP强度及延伸率对FRP约束混凝土力学性能的影响。lFRP约束机理分析FRP对混凝土柱的约束是通过限制其横向变形而实现的。混凝土柱在轴向压应力盯。作用下，混凝土纵向发生压缩变形，横向发生膨胀变形。对素混凝土柱而言，这种横向变形会自由发展下去；但对于受到FRP材料约束的混凝土柱，由于混凝土柱的横向膨胀变形使FRP材料发生了拉伸变形，因此FRP材料所产生的拉应力盯『；，则会反作用于混凝土柱，并提供径向约束应力巩，限制混凝土柱的横向变形(见图1)。图1FRP约束混凝土作用机理砚由式(1)决定：叽：纽磐(1

4、)盯l2—。i—LlJ式中：％为FfuP弹性模量；，l为FRP层数，t为单层FfuP厚度；FI；p为FRP环向应变；R为混凝土柱截面半径。假设FRP与混凝土变形协调，可得到约束刚度El：Et；竽(2)但是由于在压力荷载作用初期，混凝土柱的横向变形过小，FRP在混凝土柱受压初期并不产生约束作用。当混凝土压应力crc达到0．吮’魄’为无约束混凝土强度)时，混凝土内部裂缝开始大量扩展，混凝土发生明显的横向变形，横向变形的扩张使包裹在混凝土外围的FRP材料产生了明显的变形，FRP开始产生约束效果。因此FRP约束混凝土的应力一应变曲线呈双线型【l。】。应力一应变曲线的前半段与无约束混凝土相像，类

5、似抛物线。在0．吮’之前近似处于弹性阶段；在应力达到0．巩’后，曲线进入软化段，斜率变小，当应力达到拐点值Z时，曲线进入后半段。FRP约束混凝土应力一应变曲线的后半段基本为直线，约束应力随FRP应变增加而线性增加，直至FRP拉断达到最大。表示混凝土达到极限状态，发生破坏。极限约束应力Z由式(3)确定：z=毕(3)式中：占枷为FRP极限拉应变。处于强约束条件下的约束混凝土，与钢筋约束混凝土不同，曲线后半段为上升直线段；对于加固量较小的弱约束混凝土，曲线后半段为下降段直线，类#$．*．FHP∞m％《±女{＆№#自日{m女似于钢筋约束混凝土．其破坏时的应力值等r或小于无约束混凝土的强度。2F

6、lIP约束混凝土仿真模型为了较为全面地考察各种因素对FRP约束混凝土的影响，笔者采用大型有限元软件ANSYS对其进行单轴受压仿真分析。根据研究对象．模型采用150一x150mmx300mm混凝土棱柱体。拐角曲率半径分别为20、25、30mm；混凝土强度分别为C50、C60和C70。FRP材料批伸强度为4238MPa，延伸率为J88％，单层厚度为033一；约康层数分别为2、4、8层。共27个试件，试件编号样式为Ca—b—c，其中a代表混凝土强度，b代表捌角曲率半径，c代表约束层数。混凝土采用Solld65空间混凝土单元，混凝土破坏包络面采用William—Wamke五参数模型”。无约束混

7、凝土的单轴受压应力一应变关系采用过镇海模型。外包FRP布单元采用Shell41膜单元。该单元只能承受拉力作J；Ij，没有抗弯、抗压能力，符合FRP布在约束混凝土中的受力状况。打开该单元各项异性开关，使其在垂直纤维方向材料没有强度。由于要计算大应变效应．模型网格划分采用四面体三角单元。来考虑外贴FRP与混凝士的层问滑移问题，认为FRP与混凝土变形饥谰，膜单元SHELL4l与体单元表面共节点。边界条件世为全约束，以等位移方式施加荷载，加载子步设为自