具有混合纖維增強(qiáng)塑料片的混凝土梁–柱聯(lián)接部位的加固

具有混合纖維增強(qiáng)塑料片的混凝土梁–柱聯(lián)接部位的加固摘要本篇文章描述了對加固后標(biāo)準(zhǔn)尺寸混凝土結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行試驗的結(jié)果，該試件代表平面框架結(jié)構(gòu)中的梁–柱聯(lián)接部位。設(shè)計試驗的目的是為了研究在靜載條件下纖維增強(qiáng)塑料被應(yīng)用到梁–柱聯(lián)接部位外表面附近時對所測試件的影響。特別令人感興趣的是在靜載條件下應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料對增強(qiáng)梁–柱聯(lián)接部位所起的作用。作為研究的關(guān)鍵，為了從外部對混凝土的連接部分進(jìn)行加固，設(shè)計了帶有E玻璃無捻粗紗布和碳布的混合纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合物，并且該復(fù)合物結(jié)合了短貼原絲氈和帶有乙烯基酯樹脂的玻璃纖維帶。結(jié)果顯示，對于應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料改進(jìn)過的混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和硬度起到增強(qiáng)的作用，同時也能夠起到在不同類型荷載條件下增強(qiáng)它們的效果。同時，本篇文章也討論了為改進(jìn)和增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和硬度而如何選擇纖維增強(qiáng)塑料和結(jié)構(gòu)類型。關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；加固；修復(fù)；混合纖維增強(qiáng)塑料；繞接技術(shù)1.引言為了對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，一個被廣泛采用的技術(shù)是使用鋼外套管放置于現(xiàn)有混凝土柱的周圍，這種使混凝土產(chǎn)生側(cè)向限制的技術(shù)已經(jīng)被廣泛的研究[1，2]；而且已經(jīng)顯示重縮載重承載量和混凝土柱的延性增加。然而，這一個技術(shù)的缺點是它在實際的應(yīng)用受到來自腐蝕和固有的缺點。另一方面，纖維增強(qiáng)塑料日益被采用來加固混凝土，磚石和木結(jié)構(gòu)。通過關(guān)鍵部分的外表面采用纖維增強(qiáng)塑料來加固結(jié)構(gòu)，能夠很明顯提高結(jié)構(gòu)的載重量和結(jié)構(gòu)的效用。最近幾年，纖維增強(qiáng)塑料的材料類型更加的廣泛，有玻璃纖維、碳纖維等。它們提供給設(shè)計者一個使用的、有效的構(gòu)造材料，這些材料具有范圍很廣的模數(shù)和強(qiáng)度的特性。和傳統(tǒng)的加固技術(shù)相比，纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合物具有特別高的強(qiáng)度和硬度，以及設(shè)計上的靈活性、在不利的環(huán)境中的可替代性、較強(qiáng)的韌性等優(yōu)點。通過優(yōu)化材料組成和結(jié)構(gòu)，使得纖維增強(qiáng)塑料達(dá)到最好的加固效果是可能的，同時也是必要的。為了在實際的加固過程中充分利用纖維增強(qiáng)塑料的優(yōu)點，優(yōu)化組成材料和結(jié)構(gòu)是非常必要的。研究表明，正方形混凝土柱周圍的碳纖維/環(huán)氧基樹脂能夠使其負(fù)載能力增加8%—22%，而這種能力的增強(qiáng)是依賴于大量纖維的使用以及對基層表面的處理。樹脂注入技術(shù)的使用表明其對繞接效果的改進(jìn)起了非常重要的作用,研究表明，當(dāng)使用玻璃無捻粗紗布來增強(qiáng)繞接效果時，不僅能顯著提高混凝土的負(fù)載能力同時也能夠增加混凝土短支柱的變形抵抗能力。此外，通過使用帶有環(huán)氧樹脂的玻璃/碳混合增強(qiáng)材料來加固混凝土，當(dāng)對混凝土柱進(jìn)行反復(fù)的試驗來檢測它的最初性能時，發(fā)現(xiàn)它的負(fù)載能力進(jìn)一步的提高了。根據(jù)復(fù)合物彎曲的方位和厚度，表明在套箍位置處進(jìn)行加固會產(chǎn)生更好的效果。盡管已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但是大多數(shù)研究中都存在一個不足之處，即他們所做的試驗僅限于形狀較小較簡單的結(jié)構(gòu)，如混凝土圓柱體，而不是真正的結(jié)構(gòu)。此外，有必要根據(jù)成本其中包括材料和處理方法來研究使組合結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化。這就表明，當(dāng)使用纖維增強(qiáng)塑料來進(jìn)行基礎(chǔ)加固時，應(yīng)該使用各種材料的優(yōu)點，不僅僅是帶有環(huán)氧樹脂的碳纖維，同時也應(yīng)該包括玻璃纖維或帶有其它聚合樹脂的碳/玻璃纖維的復(fù)合物，在這個試驗中為了加固一個典型的建筑部分，即梁–柱聯(lián)接部位，設(shè)計了一個帶有乙烯基酯樹脂的碳/E玻璃復(fù)合物。為了研究帖有纖維增強(qiáng)塑料對構(gòu)件的影響，在靜載條件下，分別對通過纖維增強(qiáng)塑料加固后的試件和沒有加固的試件進(jìn)行了大量的試驗。研究報告是一個合作研究項目的一個組成部分，該項目是有悉尼理工大學(xué)、高級材料技術(shù)中心和悉尼大學(xué)共同合作研究的關(guān)于應(yīng)用高級纖維復(fù)合物來增大混凝土的強(qiáng)度和硬度，由此來對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。實驗程序為了這一項目設(shè)計了三個標(biāo)準(zhǔn)尺寸加固混凝土結(jié)構(gòu)試件，它們代表了典型的梁–柱聯(lián)接部位。圖一表示了局部帶有纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)件的幾何形狀。在這三個試件中，其中兩個試件相當(dāng)于混凝土梁–柱聯(lián)接類型（非加固試件），另一個是在梁–柱聯(lián)接部位周圍用碳纖維和玻璃纖維復(fù)合物加固的試件（加固試件）。這三個試件都使用標(biāo)準(zhǔn)商品混凝土，其強(qiáng)度等級為C40。在圖一中也顯示了混凝土試件的配筋情況。為了測定混凝土的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，進(jìn)行了混凝土抗壓試驗，該實驗是根據(jù)AS1012–1986標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。圖1試件的幾何細(xì)節(jié)（沒按比例確定）2.1復(fù)合式結(jié)構(gòu)三個混凝土結(jié)構(gòu)試件中的一個用復(fù)合物進(jìn)行加固，該復(fù)合物由四個部分組成，包括E玻璃無捻粗紗布（WR-600g/m2）、短貼原絲氈（CSM-300g/m2）、碳布（200g/m2）和玻璃纖維布（GFT-250g/m2）詳細(xì)見表格1和圖2，平面詳圖見圖3。雙軸平面布置不僅對軸向方向提供了相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，而且對箍部位也起到了同樣的作用。而玻璃無捻粗紗布和碳布的使用對于雙軸平面布置起到多方位的加固作用，在這個復(fù)合式結(jié)構(gòu)中它們都起到了基本的加固作用。把玻璃纖維帶應(yīng)用到箍部位能夠提供非常好的限制作用，同時也能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的完整性。樹脂修復(fù)系統(tǒng)的選擇主要與樹脂膠性時間有關(guān)。一般來說，當(dāng)采用濕鋪法，可以使用冷環(huán)繞樹脂系統(tǒng)。對于本次研究所描述的環(huán)繞方法沒有可采用濕鋪機(jī)器，所以采用人工方式。在室溫下，乙烯基酯樹脂和Dastar-R/VERPVE/SW/TP被混合并且混合有1.5%的MEKP，0.4%的CONAP和0.5%的DMA。在室溫條件下加工處理樹脂。對于玻璃無捻粗紗布/短貼原絲氈層，樹脂和纖維的比率是1：1.5，對于碳布比率是1：0.8?；炷翗?gòu)件被一層lames-wool和一層加固層所包裹。在放置第一層纖維層之前，應(yīng)使用丙酮來清理混凝土的表面，然后采用樹脂涂層去密封混凝土表面上的小洞。然而，當(dāng)進(jìn)行進(jìn)一步的表面處理時，應(yīng)該有意識的去避免沙粒被暴露在外面。為了確使結(jié)構(gòu)完全加固，每一個復(fù)合層都應(yīng)該用樹脂潤濕并且卷在混凝土結(jié)構(gòu)之上。表1圖2圖32.2靜載試驗設(shè)計在水平面上設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)試件的靜載試驗，三個混凝土框架支撐是卷筒狀的，如圖4。被加載構(gòu)件末端也是卷筒類型的支撐。然而，其水平運動沒有被明顯的限制。為了在沒個構(gòu)件末端能夠提供理想的卷筒類型邊界條件，設(shè)計了一個專門的裝置，該裝置在加載點配有滾筒和一個軸承，如圖5。在試驗中，使用了4個1000KN的千斤頂。在它們之中唯一一個活動的是那個放在加載構(gòu)件出的，而其它的幾個只簡單的起到提供支座反力的作用。圖4圖52.3儀表使用和數(shù)據(jù)記錄使用4個千斤頂?shù)难b載單元放置在每個支撐物和加載點上，測出所家荷載和反作用力的大小。為了獲得混凝土框架試件準(zhǔn)確的偏差撓曲線。使用12個可變位移傳感器，該傳感器測量范圍為±2.5mm到±50mm，把它們放在重要位置上來測量撓度偏差。為了使試驗更加地規(guī)范并對沒有經(jīng)過使用纖維增強(qiáng)塑料加固的混凝土結(jié)構(gòu)試件的變形有更準(zhǔn)確的了解，設(shè)計了大量應(yīng)變計來獲取所測試試件的壓力分布。每一個試件使用56個應(yīng)變計，其中有28個應(yīng)變計放置在試件的鋼筋處，另外28個30mm的應(yīng)變計放置在混凝土結(jié)構(gòu)試件的外表面處。按順序排列應(yīng)變計以便能夠測出連接部分大量的點。對于大部分被測試的連接部分，一個典型的排列方式如圖6。應(yīng)變計在這些部分內(nèi)部的排列方式如圖7。圖6圖72.4試驗程序程表2給出了所測試試件的名稱和一個簡單的描述。在正式運行負(fù)載進(jìn)行試驗之前，首先對非加固試件進(jìn)行一系列研究試驗，主要是加載40KN，其中一個加到超過50KN。其次，對非加固試件和加固試件不家任何負(fù)載，直到達(dá)到先前使用負(fù)載水平。在每一個試件受到大約100次的加載后，處理所有最終負(fù)載試驗。表23.結(jié)果和分析為了決定纖維增強(qiáng)塑料對加固結(jié)構(gòu)試件的影響，處理了在3個試件上進(jìn)行的5個試驗，其中包括以運行負(fù)載進(jìn)行試驗的三個試驗和以最終負(fù)載進(jìn)行試驗的兩個試驗。對于每個試驗,都進(jìn)行了四個負(fù)載記錄，十二個撓度記錄和56或64個應(yīng)變的數(shù)據(jù)記錄。3.1靜載試驗的確定為了使所做的靜載試驗得到證實，依次列出了每次試驗的靜力平衡，如下：外部荷載的平衡：由于在設(shè)計這些試驗中避免了多余約束的存在，而且把加載裝置布置于加載點和反力點，這使得通過使用簡單的靜力學(xué)來檢驗加載點和反力點的靜力平衡變的很方便。表2顯示的外部負(fù)載平衡令人很滿意。斷面上力的平衡和力矩的平衡：為了準(zhǔn)確地計算內(nèi)部力和部分力矩，需要在指定的區(qū)間內(nèi)使用應(yīng)變計。為了處理在一個給定的斷面上的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變,做了下列的假設(shè):截面上的應(yīng)變沿線性變化，換句話說就是在被給定的一個斷面上的應(yīng)變可以用一條應(yīng)變線表示。在這一假設(shè)條件下，采用具有兩個解釋變量的最小二乘法來獲得平面應(yīng)變，對于每個被給定的區(qū)間使用6個平面應(yīng)變值。圖8表示把所測得的平面應(yīng)變數(shù)值與用最小二乘法擬合所計算的數(shù)值做了比較。通過計算平面應(yīng)變可以獲得應(yīng)變值，這些數(shù)值將用于隨后的計算。對于確定一個被給定的斷面內(nèi)部的平衡，力的計算是通過結(jié)合在拉力段和壓縮段中所分別測得的數(shù)值而完成的。假設(shè)混凝土只受壓力和受拉區(qū)的力主要有鋼筋（一些表面帶有纖維增強(qiáng)塑料）來承擔(dān)。平衡狀態(tài)即受壓區(qū)的合力與受拉區(qū)的合力相等。被給定斷面上的力矩應(yīng)該通過這個斷面上所受的壓力來計算。把它們與通過所測荷載來計算的數(shù)值做對比。這些計算的詳細(xì)公式如附錄A，表3和表4表示靜載試驗的確定。圖8表3表43.2負(fù)荷–凸形豎曲線圖9和圖10中顯示了加固試件的負(fù)荷–凸形豎曲線和非加固試件的對比情況，其中既包括在使用載荷條件下，又包括在極限載重條件下。結(jié)果顯示，由于使用了纖維增強(qiáng)塑料，使混凝土的硬度增加了大約45%（使用載荷條件下）。試驗表明，在極限載重條件下使用纖維增強(qiáng)塑料加固混凝土結(jié)構(gòu)試件能夠使其負(fù)載能力提高大約30%。圖9圖103.3應(yīng)變結(jié)果的分析由于纖維增強(qiáng)塑料具有加固作用，所以為了估計鋼筋處的應(yīng)變變化，定義了一個參數(shù)，即“平面應(yīng)變約數(shù)”。定義如下：在相同的負(fù)載條件下，P代表兩個非加固試件中最大區(qū)間內(nèi)的平均應(yīng)變值，R代表兩個加固試件中最大區(qū)間內(nèi)的平均應(yīng)變值。表5和表6對非加固試件和加固試件的最大/最小應(yīng)變值進(jìn)行了典型的對比以及在相同荷載條件下不同斷面的平均應(yīng)變約數(shù)的對比情況（同見圖11）。如果對所有梁部分采用平均應(yīng)力約數(shù)的方法，它將產(chǎn)生51%的應(yīng)變縮減因子。以相同的方式,對于柱部分將產(chǎn)生55%的應(yīng)變縮減因子。平面應(yīng)變約數(shù)可以用以衡量外部使用纖維增強(qiáng)塑料加固的效果。表5表6圖113.4對應(yīng)用復(fù)合物建筑的討論在使用載荷和極限載重條件下，對混凝土結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行試驗，從所得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用纖維增強(qiáng)塑料來加固建筑物，能夠成功地提高結(jié)構(gòu)的硬度和負(fù)載能力。令人感興趣的是發(fā)現(xiàn)雖然纖維增強(qiáng)塑料的彈性模量僅僅大約是混凝土的一半，但是在增強(qiáng)混凝土的硬度和負(fù)載能力方面卻扮演非常重要的角色。在應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料來加固混凝土結(jié)構(gòu)試件之前，雖然沒有采取專門的表面處理，但是復(fù)合物與混凝土表面之間的連接卻沒有失敗。這可能是由于復(fù)合物具有較小的彈性模量。有跡象表明，由于混凝土具有較低抗拉強(qiáng)度，所以彈性模量較小的纖維增強(qiáng)塑料可能對混凝土結(jié)構(gòu)起到更好的加固作用。在采用鋪法設(shè)計中，厚度的逐漸變化是必要的。這樣可以降低在纖維增強(qiáng)塑料中可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中，這些應(yīng)力集中能夠引起混凝土的裂縫。然而，有必要指出，由于僅僅對一些受到限制的試件進(jìn)行研究，所以這些結(jié)論可能有一定的偏差。建議做更多的試驗來證明這些結(jié)論。4．結(jié)論作為研究的結(jié)果，列出了以下結(jié)論：1．對加固后標(biāo)準(zhǔn)尺寸混凝土結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行試驗已經(jīng)被成功地處理，所設(shè)計的試件代表了平面框架結(jié)構(gòu)中的梁–柱聯(lián)接部位。通過平衡校核證明了由該試驗所得出的結(jié)論。2.由無捻粗紗布、碳布、短貼原絲氈和玻璃纖維帶組成的復(fù)合物有效地證明了纖維增強(qiáng)塑料對混凝土結(jié)構(gòu)試件的加固效果。試驗的結(jié)果表明由于使用了纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合物使得混凝土的硬度和負(fù)載能力有了明顯的提高。結(jié)果也表明用較低的成本加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)并且使其達(dá)到較好的效果，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化是很重要的。3.靜載試驗的結(jié)果也表明具有較低彈性模量的混合碳/E玻璃纖維復(fù)合物可能會提供更好的連接。然而，這需要被更多的試驗證明。4．研究也表明應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的研究，其中包括加固被破壞的混凝土結(jié)構(gòu)試件，循環(huán)荷載和使用不同的結(jié)構(gòu)類型。附錄A假定梁/柱上一個被給定的斷面的應(yīng)變分布是線性的。對于給定的區(qū)間，應(yīng)變能夠被表達(dá)為公式（A.1）其中a,b,c是常數(shù)?？紤]兩個解釋變量的反映模型Yi=0+1xi1+2xi2+ei,(A.2)附件2：外文原文AbstractThepaperdescribestheresultsoftestsonprototypesizereinforcedconcreteframespecimenswhichweredesignedtorepresentthecolumn–beamconnectionsinplaneframes.Thetestsweredevisedtoinvestigatetheinfluenceoffibrereinforcedplastic(FRP)reinforcementappliedtoexternalsurfacesadjacenttothebeam–columnconnectiononthebehaviourofthetestspecimensunderstaticloading.OfparticularinterestunderstaticloadingwastheinfluenceofFRPreinforcementonthestrengthandstiffnessofbeam–columnconnection.Asakeytothestudy,thehybridFRPcompositesofE-glasswovenroving(WR)andplaincarboncloth,combinedwithchoppedstrandmat(CSM),glassfibertape(GFT)withavinyl-esterresinweredesignedtoexternallyreinforcethejointoftheconcreteframe.TheresultsshowthatretrofittingcriticalsectionsofconcreteframeswithFRPreinforcementcanprovidesignificationstrengtheningandstiffeningtoconcreteframesandimprovetheirbehaviourunderdifferenttypesofloading.TheselectionsoftypesofFRPandthearchitectureofcompositesinordertoimprovethebondingandstrengthoftheretro-fittingwerealsodiscussed.AuthorKeywords:Concretestructure;Strengthening;Rehabilitation;HybridFRPcomposite;Wrappingtechnique1.IntroductionAwidelyadoptedtechniqueforretrofittingconcretestructureistousesteeljacketsplacedaroundexistingconcretecolumns[1and2].Theuseofsteelencasementtoprovidelateralconfinementtotheconcreteincompressionhasbeenstudiedextensively[3and4],andhasshownincreaseinthecompressionloadcarryingcapacityandductilityoftheconcretecolumns.However,theshortcomingsofthistechniquearethatitsuffersfromcorrosionsaswellasinherentdifficultiesduringpracticalapplications.Fibrereinforcedplastic(FRP),ontheotherhand,isincreasinglybeingusedtoreinforceconcrete,masonryandtimberstructures.TheloadcarryingcapacityandserviceabilityofexistingstructurescanbesignificantlyaugmentedthroughexternallyretrofittingcriticalsectionswithFRPsheeting.InrecentyearsFRPmaterialswithwiderangeoffibretypesofglass,aramidorcarbonprovidedesignerswithanadaptableandcost-effectiveconstructionmaterialwithalargerangeofmodulusandstrengthcharacteristics.Comparingwithtraditionalrehabilitationtechniques,theFRPcompositeshavehighspecificstrength/stiffness,flexibilityindesignandreplacementaswellasrobustnessinunfriendlyenvironments.WithFRPcompositesitispossibleandalsonecessarytoachievethebeststrengtheningresultsbyoptimisingtheconstitutematerialsandarchitecture.OptimisationoftheconstitutematerialsandarchitecturebecomesessentialinordertoutilisethesuperiorityofFRPcompositesinapplicationofrehabilitation[5,6,7,8and9].Itwasfoundthatwindingofcarbonfiber/epoxycompositesaroundsquareconcretecolumnscanincreasetheloadcarryingcapacityby8–22%,dependingontheamountoffibresusedandtreatmentsofsubstratesurface[10].Theuseofresininfusiontechniquewasshowntocontributetosubstantialimprovementsincompositewrappingefficiency,andtheuseofwovenglassroving,asthereinforcementincompositeswrapping,wasfoundtosignificantlyincreasebothloadcarryingcapacityanddeformationresistancecapacityoftheconcretestubs[2].Furthermore,throughtheuseofglass/carbonhybridreinforcementswithanepoxyresin,replicationofinitialperformanceofconcretestubssubjectedtodeteriorationwasshownpossible,withasimultaneousfurtherimprovementinloadcarryingcapacity.Intermsoftheeffectsoforientationandthicknessofthecompositeswarps,itwasfoundthatthepredominantuseofreinforcementsinthehoopdirectionwouldresultinhighefficiency[11].Despitethelargenumberofresearchcarriedout,oneshortcomingofmoststudieshasbeenthattheywerelimitedtosimplesmallsizecomponents,suchasconcretecylinders,ratherthanrealstructures.Furthermore,itisessentialtostudytheoptimisationofcompositesarchitecturesintermsofcosteffectivenessincludingmaterialsandprocessingmethods.ThisimpliesthatthereinforcementofinfrastructurewithFRPcompositesshouldutilisetheadvantagesofvariousmaterials,notonlycarbonfiberswithepoxyresin,butalsoglassfiberorhybridofcarbon/glassfibreswithotherpolymerresins.Inthisexperimentalinvestigation,ahybridofcarbon/E-glasswithvinyl-esterresincompositesjacketwasdesignedtoreinforceatypicalbuildingcomponents,namelyacolumn–beamconnection.StatictestswerethenconductedonFRPreinforcedandnon-reinforcedspecimenswithextensiveinstrumentationtostudytheinfluenceofthedesignedcompositereinforcement.TheinvestigationreportedinthepaperformspartofacollaborativeresearchprogrambetweentheUniversityofTechnology,SydneyandtheCentreforAdvancedMaterialsTechnology,theUniversityofSydneyinrelationtoapplicationofadvancedfibrecompositestostrengthen,stiffenandhencerehabilitateconcretestructures.2.ExperimentalproceduresThreeprototypesizereinforcedconcreteframespecimens,representingtypicalconcretecolumn–beamconnection,weredesignedforthisstudy.GeometryofthespecimenswithlocationofFRPcompositereinforcementisillustratedinFig.1.Amongthreespecimens,twoofthemareas-isconcretebeam–columnconnectiontype(nonecomposites-reinforced(Non-CR)specimens)andonespecimenwasreinforcedbythehybridofcarbonfiberandglassfibrecompositesaroundthecolumn–beamjoint(composites-reinforced(CR)specimen).Allthreespecimenswerepre-castusingstandardcommercialmixgrade40concrete.ThesteelreinforcementoftheconcretespecimensarealsoshowninFig.1.ConcretecompressiontestsbasedontheAustralianStandard(AS1012–1986)wereconductedonthesamplestakenduringtheconcretepourinordertodeterminethemodulusofelasticityandultimatecompressionstrength(UCS)oftheconcrete.2.1.CompositesarchitectureOneofthethreeconcreteframespecimenswasreinforcedwithhybridcomposites.Thehybridcompositesconsistsoffourbasicarchitectures,namelyE-glasswovenroving(WR/600g/m2),choppedstrandmat(CSM-300g/m2),carboncloth(plainweave-200g/m2)andglassfibretape(GFT-250g/mm2).ThedetailsofthecompositesarchitectureareshowninTable1andFig.2.Detailsoflay-upareillustratedinFig.3.WRandcarbonclothareamulti-directionalreinforcementwithbiaxialplainweavingwhichprovideequivalentstrengthinbothaxialandhoopdirections.Theyplaythebasicreinforcementroleinthiscompositesarchitecture.GFTapplyingathoopdirectionprovidesverygoodconfinementandenhancesstructuralintegrity.Theselectionofresincuringsystemsismainlyconcernedwiththeresingel-timeatambienttemperature,whichiscriticaltowrappingprocess.Ingeneral,coldsettingresinsystems(ambienttemperaturecuring)canbeusedwhenwetlay-upprocessisapplied.Sincenolay-upmachineisavailableforthewrappingprocessdescribedinthisstudy,thehandlay-upmethodwasused.Thevinyl-esterresin,Dastar-R/VERPVE/SW/TP,wasmixedwith1.5%ofMEKP(methyl-ethyl-ketone-peroxide),0.4%ofCoNap(Cobaltnapthenate),and0.5%ofDMA(Dimethylaniline)atambienttemperature.Theresincuresatambienttemperature.Theweightratiobetweenresinandfibrelayerswas1:1.5forWR/CSMlayersand1:0.8forcarboncloth,respectively.Theconcreteframewaswrappedbyalames-woolrollerandaconsolidatingroller.Beforelayingthefirstfibrelayer,theconcretesurfaceswerecleanedupusingacetone,andathinresincoatwasappliedtosealmicroholesonthesurfaceofconcretecolumns.However,furthersurfacetreatmentsuchassandingsurfacetoexposetheaggregateswasintentionallyavoided.Eachcompositelayerwaswettedwiththeresinandrolledontotheconcreteframetoensurefullconsolidation.Table1.Detailsoffivecompositesystemswithacompositearchitectures

2.2.DesignofstatictestsThestatictestsoftheconcreteframespecimensweresetupinahorizontalplane.Thethreesupportsoftheconcreteframe(noloadapplied)wererollertypeasshowninFig.4.Theendatwhichloadwasappliedwasalsoarollertypesupport,however,horizontalmovementswereobviouslynotprevented.Inordertoprovidetheidealrollertypeboundaryconditionsateachendasdesigned,aspecialsetupwasdevelopedwithcombinationofrollersandaswivelheadateachsupporting/loadingpoint(Fig.5).Four1000-kN-hydraulicjackswereusedinthetests.Amongthem,theonlyactivejackwasthejackthatappliedloads,whileothersweresimplyactingasadjustablepackingtoprovidingthereactions.Fig.4.Illustrativesketchoftestset-upforstatictest.Fig.5.Set-upforstatictestofconcreteframe.

2.3.InstrumentationanddataloggingAppliedloadaswellasreactionforcesweremeasuredusingfour998.8kNloadcellslocatedineachoffoursupporting/loadingpositions.Inordertoobtaindetailedflexuraldeflectioncurvesfortheconcreteframespecimens,twelvelinearvariabledisplacementtransducers(LVDTs)witharangefrom±2.5to±50mmwereusedatstrategiclocationstomeasuretheflexuraldeflections.ExtensivestraingaugingwasdesignedtocapturethestressdistributionofthetestingspecimensinordertovalidatetestsandgainaninsightintothebehaviouroftheconcreteframewithorwithoutFRPreinforcement.Thetotalnumberofstraingaugeswas56foreachspecimen,inwhich28straingauges(5mm)werelocatedonsteelrebarsandtherest(30mmstraingauges)werelocatedontheexternalsurfaceoftheconcreteframespecimens.Locationsofthestraingaugeswerearrangedsothatthestrainsonvariouspointsofthecrosssectionscouldbecaptured.AtypicalstraingaugearrangementformostmeasuredcrosssectionsisshowninFig.6.LocationsofstraingaugesinsidethesectionareshowninFig.7.Fig.6.Locationofcrosssectionsoftheconcreteframeforstraingauging.2.4.TestprocedureDesignationsoftestspecimensandabriefdescriptionaregiveninTable2.Priortobeingformallytestedatserviceloadlevel,thefirstnon-CRspecimenwassubjectedtoaseriesofinvestigativetestsmostlyloadedattheserviceloadlevelof40kNwithonesingleoverloadupto50kN.Thesecondnon-CRspecimenandtheCRspecimenswerenotsubjectedtoanyloadinguntiltheinitialserviceloadleveltests.Allultimateloadtestswereconductedaftereveryspecimenwasexposedtoabout100cyclesofcyclicloadingatserviceloadlevels.Table2.Appliedloadandreactionsfortypicaltests(unit:kN)

3.ResultsandanalysisInordertodeterminetheinfluenceofFRPcomposites,fivesetsoftestswereconductedonthethreespecimensincludingthreetestsatserviceloadlevelsandtwoattheultimateloadlevel.Foreverytest,loggeddataconsistedoffourloadrecords,twelvedeflectionrecordsand56or64strainrecords.3.1.ValidationofthestatictestsTovalidatetheperformedtests,thestaticequilibriumforeachtestwasverifiedasfollows:Equilibriumofexternalloads:Asredundancywasavoidedindesignofthesetestsandloadcellswereplacedateachloadingorreactionpoint,itwasconvenienttocheckequilibriumoftheload/reactionforcesthroughsimplestatics.Table2showsthattheequilibriumofexternalloadswassatisfied.Equilibriumofforcesandequilibriumofmomentoncrosssections:Inordertocalculatetheinternalforcesandsectionalmoments,strainsonthedesignatedsectionswererequired.Toprocessthemeasuredstrainsonagivencrosssection,thefollowingassumptionwasmade:thestrainsvarylinearlythroughthecrosssections.Inotherwordsthestrainsatagivencrosssectioncanberepresentedbyastrainplane.Underthisassumption,leastsquaremethodwiththetwoexplanatoryvariableswasadoptedtoobtainthestrainplaneforeachgivencrosssectionusingvaluesofsixmeasuredstrains.Fig.8showscomparisonofthemeasuredstrainvaluesandthosecalculatedfromtheleastsquarefitting.Thestrainvaluesusedinsubsequenceevaluationsorcalculationswereobtainedfromcalculatedstrainplanes.Forthevalidationoftheequilibriumofinternalforcesinagivencrosssection,forceswerecalculatedbyintegrationofresultingstressesintensionandcompressionzones,respectively.Theconcretewasassumedtocarryonlycompressionloadsandsteelrebars(withFRPcompositesinsomecases)wereconsideredasthemainloadcarriersinthetensionzone.Equilibriumstatesthattheresultantforceinthecompressionzoneshouldbeequaltothatinthetensionzone.Momentsatagivencrosssectionwerefirstlycalculatedthroughintegrationofstressesinthesection.Theywerecomparedtothosecalculatedbyusingmeasuredloadsmultipliedbytheleverarms.DetailsofformulaepertainedtothesecalculationsarepresentedinAppendixA.AsshowninTable3andTable4,equilibriumisvalid