GFRP加固混凝土受壓柱的力學(xué)分析.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 GFRP加固混凝土受壓圓柱的力學(xué)分析概述：試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，使用外貼碳纖維布加固混凝土是一種施工方便，質(zhì)量可靠的加固方法。使用這種方法加固的混凝土柱在軸向受壓的時(shí)候，其核心部分的混凝土向外變形受到碳纖維布的約束，使得的混凝土處在三向受壓的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，它的強(qiáng)度和延展性能都大幅度的提高。本文在以往學(xué)者的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了碳纖維約束混凝土圓柱的軸心受壓試驗(yàn)，根據(jù)試件的約束類型和混凝土類型將試件分為4組，通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析分別對下面的幾個(gè)問題進(jìn)行了研究。 （1） 碳纖維布約束混凝土圓柱的位移-載荷曲線。（2） 碳纖維布約束素混凝土柱和鋼纖維混凝土柱的延性及破壞形貌對比。（3）實(shí)驗(yàn)概況 本章對4組，共12根柱子1.CFRP碳纖維加固塑材 碳纖維布及膠的主要性能指標(biāo)，采用相關(guān)廠家提供的技術(shù)參數(shù)。FRP片材的主要力學(xué)性能則通過拉伸試驗(yàn)測得。試驗(yàn)方法是把CFRP布剪裁成30毫米寬，250毫米長的矩形。然后兩面都均勻的刷上膠。在制作好的試件中間粘貼應(yīng)變片，測試加載過程中的應(yīng)力-曲線。2.混凝土試件試驗(yàn)中的所有混凝土試件的強(qiáng)度等級都是C30，按照加固形式及混凝土類型把試件共分為4組。實(shí)驗(yàn)中使用水泥采用的是本試驗(yàn)采用的水泥為42.5#普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用山東萊蕪河灘沙子，骨料采用濟(jì)南章丘雙山青石子，粒徑為1015mm，配合比為水泥：水：石子：沙子：=1：0.35：1.93：1.67。鋼纖維采用上海真強(qiáng)纖維有限公司生產(chǎn)的端鉤型鋼絲纖維，規(guī)格尺寸分別為50mm、30mm、25mm,長徑比為60，抗拉強(qiáng)度大于600MP。其中，鋼纖維摻入比為4%，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級是C30，并采用位移傳感器測量柱子的位移。采用靜態(tài)應(yīng)變儀測量橫向縱向以及GFRP布纏繞方向的位移。試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸采用直徑D為18mm，高為 50mm的圓柱。 柱子參數(shù)如圖下圖所示GZ(1)GZ(4)共4根，均為沒有加固的鋼纖維混凝土柱；SZ(1)SZ(2)共2根，表示沒有加固的素混凝土柱；JGZ(1)JGZ(4)共4根，表示加固的鋼纖維混凝土柱；而JSZ(1)JSZ(2)表示加固的素混凝土柱；對于試件GZ及SZ布置5列應(yīng)變片，其中每列應(yīng)變片上中下各布置一個(gè)應(yīng)變片；而對于JGZ及JSZ在橫向縱向及纏繞方向各布置2個(gè)應(yīng)變片。布置如圖所示。各個(gè)試件編號和參數(shù)試件編號試件個(gè)數(shù)加固層數(shù)約束類型應(yīng)變片個(gè)數(shù)混凝土類型GZ40無約束15鋼纖維混凝土SZ20無約束15素混凝土JGZ42全約束8鋼纖維混凝土JSZ22全約束8素混凝土SZ及CZ的應(yīng)變片位置參數(shù)表列位置12345上應(yīng)變片1（縱）應(yīng)變片4（橫）應(yīng)變片7（縱）應(yīng)變片10（縱）應(yīng)變片13（縱）中應(yīng)變片2（橫）應(yīng)變片5（縱）應(yīng)變片8（橫）應(yīng)變片11（橫）應(yīng)變片14（橫）下應(yīng)變片3（橫）應(yīng)變片6（縱）應(yīng)變片9（橫）應(yīng)變片12（縱）應(yīng)變片15（橫）JSZ及JGZ應(yīng)變片位置參數(shù)表列位置1234上應(yīng)變片1（斜）-應(yīng)變片5（斜）-中應(yīng)變片2（橫）應(yīng)變片3（斜）應(yīng)變片6（橫）應(yīng)變片7（斜）下-應(yīng)變片4（縱）-應(yīng)變片12（縱） 圖1應(yīng)變片的粘貼位置及尺寸圖(單位cm)施工方法步驟毛滾子、小刷子、502膠水、塑料布、膠皮手套、水桶、組合膠水、電子秤、打磨機(jī)、直尺、剪子。1， 實(shí)驗(yàn)前首先將混凝土上下表面打磨平整，在平整的上下表面涂上黃油，用塑料布將上下表面包好。避免試件在受壓時(shí)不是軸心受壓。為了使FRP和混凝土二者粘結(jié)好，應(yīng)在試件在齡期后對柱子的表面用砂紙進(jìn)行打磨，打磨后用清水沖洗，然后曬干備用。2， 將應(yīng)變片按照設(shè)計(jì)好的位置粘貼，焊接并接線。3， 加固之前，先用丙酮擦干凈試件，再將不平處用環(huán)氧樹脂底膠補(bǔ)平。4， 用電子秤將主膠和固化膠按照1比2配比，攪拌均勻。然后用毛刷均勻涂刷混凝土表面。5， 首先按照設(shè)計(jì)要求剪裁碳纖維布，將剪裁好的碳纖維布先按順時(shí)針與水平方向成30旋轉(zhuǎn)一周，而后按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周。纏繞碳纖維布的時(shí)候要將碳纖維布拉緊，直把里面的氣泡擠出來，反復(fù)用毛滾擠壓使混凝土和CFRP充分接觸。最后在柱子表面均勻刷一層保護(hù)膠。6， 將制作好的試件放到陰暗干燥處，經(jīng)過一周的養(yǎng)護(hù)后，在進(jìn)行加載試驗(yàn)。加載裝置及方法本試驗(yàn)在山東理工大學(xué)土木工程學(xué)院的試驗(yàn)室進(jìn)行，加載裝置采用2000KN的液壓試驗(yàn)機(jī)，首先安裝球形鉸支座，然后把柱子放到壓力機(jī)上和位移計(jì)，如圖所示；加載過程采用混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB50152-92）的相關(guān)規(guī)定。加載之前，首先預(yù)加最大載荷估計(jì)值的15%，然后再卸載，待充分壓實(shí)后重新開始加載，每50KN記錄一次數(shù)據(jù)，等加載到接近最大承載力的時(shí)候，每20KN記錄一次數(shù)據(jù)。 在柱子的兩側(cè)各放置一個(gè)百分表，每次加載后，相應(yīng)的位移取兩個(gè)百分表讀數(shù)的平均值。保持慢速持續(xù)加載直到試件破壞。、加載裝置圖2試驗(yàn)現(xiàn)象及柱子的破壞形式試件SZ在加載的最初階段外觀并沒有發(fā)生明顯的變化，當(dāng)載荷超過400KN的時(shí)候，試件開始出現(xiàn)微小的斜裂縫。繼續(xù)加載，柱子上的混凝土逐漸剝落下來，這時(shí)柱子失去承載力而失效，此時(shí)的破壞表現(xiàn)為脆性破壞，破壞形式是傾斜的劈裂破壞；而對于GZ在加載的過程的前期和素混凝土柱的表現(xiàn)基本相似，而達(dá)到鋼纖維混凝土的最大承載力的時(shí)候，由于混凝土內(nèi)部的鋼纖維作用使得破壞過程變得緩慢，破壞形式雖然也是傾斜的劈裂破壞，但是從最后的破壞形貌來看，素混凝土在達(dá)到最大承載力的時(shí)候試件已經(jīng)被完全壓碎，而鋼纖維柱比較完整，而它們的最大承載力相差卻不大。而對于JSZ及JGZ兩種試件在加載初期表現(xiàn)的和未加固柱子無明顯不同；而當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到試件的極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，在柱子的保護(hù)膠層出現(xiàn)一道道白色的不明顯的斜紋，當(dāng)繼續(xù)加載到的極限承載力時(shí)，試件的橫向變形迅速增大，同時(shí)纖維布因斷裂發(fā)生噼啪的響聲，碳纖維和混凝土發(fā)生界面發(fā)生剝離，試件失效破壞。 從破壞的試件來看，纖維布撕裂的同時(shí)附帶了許多混凝土碎石塊。這說明混凝土和碳纖維布之間粘結(jié)的性非常好，兩者可以較好的協(xié)同工作。而碳纖維加固柱的極限承載力較未加固混凝土柱的承載力提高3倍多，縱向和橫向變形能力也有了較大的提高。從JSZ和JGZ的破壞形貌來看，都發(fā)生在柱子的端部發(fā)生了碳纖維剝離，這是由于碳纖維布在粘貼的時(shí)候預(yù)留的粘結(jié)長度不足造成的。 總之，加固的混凝土柱的破壞依舊屬于脆性破壞，破壞時(shí)很突然。然而較未加固的混凝土柱已經(jīng)有較高變形能力。 圖3加固混凝土破壞形貌試驗(yàn)結(jié)果分析整理試驗(yàn)中電測的數(shù)據(jù)，繪制出各個(gè)試件在不同載荷下的橫向及縱向的應(yīng)變關(guān)系，如圖4所示；把同一個(gè)試件的橫縱應(yīng)變在同一幅圖中表達(dá)，其中橫向應(yīng)變用正值表達(dá)，而縱向應(yīng)變用負(fù)值表示；各個(gè)應(yīng)變片的標(biāo)號也在每幅圖中標(biāo)明。由圖可以看出粘有CFRP的混凝土柱無論承載力和延性都有較大的提高。 (a)(b)(c) (d) (e) (f)圖4位移載荷曲線 (a)SZ1電測位移載荷曲線；（b）GZ1電測位移載荷曲線; (c) JSZ1電測位移載荷曲線;(d)JSZ2電測位移載荷曲線;(e)JGZ1電測位移載荷曲線(f);JGZ2電測位移載荷曲線試件GZ及SZ的位移-載荷曲線如圖5所示 (a) (b) (c) (d)(e) (f)圖5 各個(gè)試件的位移載荷曲線 (a)SZ1位移載荷曲線；（b）GZ1位移載荷曲線; (c) JSZ1位移載荷曲線;(d)JSZ2位移載荷曲線;(e)JGZ1位移載荷曲線(f);JGZ2位移載荷曲線圖5比較了不同試件的位移載荷曲線，由圖可以較明顯的看出碳纖維加固柱承載力及延性都比普通素混凝土柱有了很大程度的增加，未加固的柱子的橫向及縱向的最大位移由16.4微米增加到181.6微米，而最大承載力由505KN增加到1767KN。CFRP加固柱的承載力較普通柱提高了3倍多；而延展性較普通柱子提高了10倍多。 由于試件還沒有達(dá)到最大承載力的時(shí)候，應(yīng)變片已經(jīng)損壞，所以通過試驗(yàn)機(jī)測得的承載力不是混凝土柱的最大承載力。此外，從試驗(yàn)的結(jié)果可以知道，破壞時(shí)候的纖維布的應(yīng)變及應(yīng)力都小于其極限值，這是由于經(jīng)過環(huán)氧樹脂浸漬的纖維布會(huì)變脆，在試件受壓直到破壞這一過程中，碳纖維布并沒有充分發(fā)揮作用。強(qiáng)度分析 增強(qiáng)白分比=（加固柱最大應(yīng)力-對照柱最大應(yīng)力）/對照柱最大應(yīng)力；下表中均采用每類最大承載力的試件。試件編號纖維層數(shù)及包裹形式 試驗(yàn)峰值應(yīng)力（MPa）增強(qiáng)效果（%）SZ-1不包 18.67-GZ-1不包 18.55-JSZ-12層雙向全包55.04194JGZ-12層雙向全包64.87249碳纖維布約束混凝土圓柱的單軸受壓強(qiáng)度模型主要有以下模型：Mandel強(qiáng)度模型： 式中，是混凝土柱的抗壓強(qiáng)度；是沒有加固的混凝土柱子的抗壓強(qiáng)度；是FRP對混凝土柱子的側(cè)向約束力；Miyauchi模型=1+2.98Samaan模型=1+（6.0）Lam and Teng深入研究了各國學(xué)者關(guān)于FRP約束混凝土柱子的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了FRP約束混凝土的數(shù)據(jù)庫，并且總結(jié)比較了各