frp約束混凝土力學性能影響因素研究

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1、1062009年中國工程塑料復合材料技術(shù)研討會論文集FRP約束混凝土力學性能影響因素研究孫卓1張力文2(1．廣州大學土木工程學院，廣州510006；蔣麗飛1張俊平12．同濟大學橋梁工程系，上海200092)摘要FRP作為一種新型人工復合材料，由于其強度高、密度低、施工簡便、耐腐蝕性高、不增加構(gòu)件截面尺寸等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)加固中。FRP約束混凝土本構(gòu)關(guān)系、極限抗壓強度、極限應(yīng)變等力學參數(shù)是進行結(jié)構(gòu)強度補強和延性加固的前提和基礎(chǔ)。為使FRP約束混凝土更好的應(yīng)用于工程實踐。本文基于有限元分析手段和國內(nèi)外近10年來關(guān)于FRP約束混凝土的試驗研究與分析成果。深入分析和研究了約束比、

2、混凝土柱截面形狀、尺寸、強度、FRP用量、模量和FRP強度，以及延伸率對FRP約束混凝土力學性能的影響。關(guān)鍵詞FRP約束混凝土有限元分析纖維增強聚合物(FRP)是一種新型人工復合材料。由于其強度高、密度低、施工簡便、耐腐蝕性強、不增加構(gòu)件截面尺寸等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)加固中。尤其是在加固混凝土柱、橋墩方面，通過有效限制混凝土柱的側(cè)向膨脹變形來提高其強度和延性。研究FRP約束混凝土的本構(gòu)關(guān)系、極限抗壓強度、極限應(yīng)變等力學參數(shù)是進行結(jié)構(gòu)強度補強和延性加固的前提和基礎(chǔ)。為使FRP約束混凝土更好地應(yīng)用于工程實踐，筆者基于國內(nèi)外近10年來關(guān)于FRP約束混凝土的試驗研究與分析成果，結(jié)合有

3、限元分析手段，深入分析和研究了約柬比、混凝土柱截面形狀、尺寸、強度、FRP用量、模量和FRP強度及延伸率對FRP約束混凝土力學性能的影響。lFRP約束機理分析FRP對混凝土柱的約束是通過限制其橫向變形而實現(xiàn)的?；炷林谳S向壓應(yīng)力盯。作用下，混凝土縱向發(fā)生壓縮變形，橫向發(fā)生膨脹變形。對素混凝土柱而言，這種橫向變形會自由發(fā)展下去；但對于受到FRP材料約束的混凝土柱，由于混凝土柱的橫向膨脹變形使FRP材料發(fā)生了拉伸變形，因此FRP材料所產(chǎn)生的拉應(yīng)力盯『；，則會反作用于混凝土柱，并提供徑向約束應(yīng)力鞏，限制混凝土柱的橫向變形(見圖1)。圖1FRP約束混凝土作用機理硯由式(1)決定：嘰：紐磐(1

4、)盯l2—。i—LlJ式中：％為FfuP彈性模量；，l為FRP層數(shù)，t為單層FfuP厚度；FI；p為FRP環(huán)向應(yīng)變；R為混凝土柱截面半徑。假設(shè)FRP與混凝土變形協(xié)調(diào)，可得到約束剛度El：Et；竽(2)但是由于在壓力荷載作用初期，混凝土柱的橫向變形過小，F(xiàn)RP在混凝土柱受壓初期并不產(chǎn)生約束作用。當混凝土壓應(yīng)力crc達到0．吮’魄’為無約束混凝土強度)時，混凝土內(nèi)部裂縫開始大量擴展，混凝土發(fā)生明顯的橫向變形，橫向變形的擴張使包裹在混凝土外圍的FRP材料產(chǎn)生了明顯的變形，F(xiàn)RP開始產(chǎn)生約束效果。因此FRP約束混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變曲線呈雙線型【l。】。應(yīng)力一應(yīng)變曲線的前半段與無約束混凝土相像，類

5、似拋物線。在0．吮’之前近似處于彈性階段；在應(yīng)力達到0．鞏’后，曲線進入軟化段，斜率變小，當應(yīng)力達到拐點值Z時，曲線進入后半段。FRP約束混凝土應(yīng)力一應(yīng)變曲線的后半段基本為直線，約束應(yīng)力隨FRP應(yīng)變增加而線性增加，直至FRP拉斷達到最大。表示混凝土達到極限狀態(tài)，發(fā)生破壞。極限約束應(yīng)力Z由式(3)確定：z=畢(3)式中：占枷為FRP極限拉應(yīng)變。處于強約束條件下的約束混凝土，與鋼筋約束混凝土不同，曲線后半段為上升直線段；對于加固量較小的弱約束混凝土，曲線后半段為下降段直線，類#$．*．FHP∞m％《±女{＆№#自日{(diào)m女似于鋼筋約束混凝土．其破壞時的應(yīng)力值等r或小于無約束混凝土的強度。2F

6、lIP約束混凝土仿真模型為了較為全面地考察各種因素對FRP約束混凝土的影響，筆者采用大型有限元軟件ANSYS對其進行單軸受壓仿真分析。根據(jù)研究對象．模型采用150一x150mmx300mm混凝土棱柱體。拐角曲率半徑分別為20、25、30mm；混凝土強度分別為C50、C60和C70。FRP材料批伸強度為4238MPa，延伸率為J88％，單層厚度為033一；約康層數(shù)分別為2、4、8層。共27個試件，試件編號樣式為Ca—b—c，其中a代表混凝土強度，b代表捌角曲率半徑，c代表約束層數(shù)?；炷敛捎肧olld65空間混凝土單元，混凝土破壞包絡(luò)面采用William—Wamke五參數(shù)模型”。無約束混

7、凝土的單軸受壓應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系采用過鎮(zhèn)海模型。外包FRP布單元采用Shell41膜單元。該單元只能承受拉力作J；Ij，沒有抗彎、抗壓能力，符合FRP布在約束混凝土中的受力狀況。打開該單元各項異性開關(guān)，使其在垂直纖維方向材料沒有強度。由于要計算大應(yīng)變效應(yīng)．模型網(wǎng)格劃分采用四面體三角單元。來考慮外貼FRP與混凝士的層問滑移問題，認為FRP與混凝土變形饑讕，膜單元SHELL4l與體單元表面共節(jié)點。邊界條件世為全約束，以等位移方式施加荷載，加載子步設(shè)為自