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FRP约束正高强混凝土在循环轴压下的性能
Togay Ozbakkaloglu1和Emre Akin2
文摘:纤维增强聚合物(FRP)复合材料的一个重要应用是作为混凝土的约束材料，用于既有钢筋混凝土柱的抗震加固和新建筑中作为抗震柱的FRP管混凝土的建造。这些结构构件在地震力作用下的可靠设计需要清楚地了解荷载循环下FRP约束混凝土的应力-应变特性。本文介绍了FRP约束普通高强混凝土轴压性能的试验研究结果。在单调和循环荷载下，对24个不同混凝土强度和FRP护套厚度的芳纶和碳纤维布约束混凝土圆柱体进行了试验。对试验结果的检查得出了许多关于纤维增强塑料约束混凝土轴向应力-应变行为的趋势和极限条件的重要结论。给出了这些结果，并讨论了主要试验参数对观测行为的影响。结果还与现有的两种FRP约束混凝土循环轴向应力应变模型进行了比较。DOI: 10.1061/ (ASCE)抄送:1943-5614.0000273。2012年美国土木工程师协会。
CE数据库主题词:纤维增强聚合物；混凝土。高强度混凝土；循环载荷。应力应变关系；压缩。
作者关键词:纤维增强聚合物；混凝土。高强度混凝土；禁闭；循环加载；应力应变行为。
介绍
由于其良好的材料性能，纤维增强聚合物(FRP)复合材料在过去的二十年里在建筑工业中变得越来越流行。玻璃钢复合材料的一个重要应用是作为混凝土的约束材料，既可用于现有钢筋混凝土柱的抗震改造，也可用于新建筑中作为抗震柱的混凝土填充玻璃钢管道的建造。为了这些结构构件的安全可靠设计，有必要正确理解和模拟FRP约束混凝土的应力-应变行为。对于这些构件的抗震改造和设计来说，了解FRP约束混凝土在循环轴压下的性能尤为重要。
在过去的二十年里，对纤维增强塑料约束混凝土的单调轴向应力-应变行为进行了广泛的研究，这导致了80多个应力-应变模型的发展(例如，Samaan等人，1998；肖吴2000；Fam和Rizkalla 2001林和滕2003；Binici 2005姜与滕2007；法赫米和吴2010；肖等，2010；魏和吴2012)。相比之下，到目前为止，只有少数研究调查了纤维增强塑料约束混凝土在循环轴压下的
性能(Mirmiran和Shahawy，1997；罗德里格斯和席尔瓦，2001年；Rousakis 2001伊尔基和库姆巴萨尔2003；邵等，2006；Lam等人，2006年；林和滕2009；Abbasnia和Ziaadiny，2010)，就作者所知，只有两个循环应力应变模型(邵等，2006；林和滕2009)已经在公开文献中提出。尽管这些研究为该问题的某些方面提供了有价值的视角，但许多其他重要方面，如混凝土强度和纤维增强塑料类型的影响，仍有待探索。
与纤维增强塑料一样，在过去的二十年里，高强度混凝土在建筑业中的普及程度稳步提高。现在人们知道，当用于桥梁和多层建筑时，高强混凝土比普通强度混凝土具有更好的性能和经济性。然而，已知高强混凝土结构构件表现出脆性行为，这危及其在地震活跃区的使用。然而，众所周知，混凝土的侧向约束可以大大提高其延性。另一方面，也证实了高强混凝土比非高强混凝土需要更多的约束，因为混凝土的约束要求与其强度成比例增加。事实上，Ozbakkaloglu和Saatcioglu (2006，2007)对FRP约束高强混凝土柱的抗震性能进行的试验研究表明，通过使用FRP管作为混凝土约束，高强混凝土柱的侧向变形能力可以显著提高。现有的大多数关于纤维增强塑料约束混凝土轴压性能的研究都集中在强度小于55兆帕的高强混凝土上，只有少数研究涉及纤维增强塑料约束高强混凝土(Berthet等人，2005；Mandal等人，2005年；Almusallam 2007Eid等人，2009年；Vincent and Ozbakkaloglu 2009吴等，2009；崔与谢赫2010；肖等(2010)。肖等人(2010)最近也报道，现有的试验结果不足以清楚地了解纤维增强塑料约束高强混凝土的轴向压缩性能。同样，对现有文献的回顾表明，大多数现有的关于纤维增强塑料约束混凝土轴向压缩性能的研究都集中在碳纤维增强塑料(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP)约束混凝土上，由于混凝土的性能受到其他复合材料的限制，例如芳纶纤维复合材料(AFRP)或高模量CFRP(CFRP)，受到的关注相对有限。
本文介绍了一项旨在填补本节前面概述的现有研究空白的实验研究的结果。试验方案主要研究CFRP约束高强混凝土和AFRP约束高强混凝土在单调和循环轴压下的性能。这是文献中首次报道的关于纤维增强塑料约束高强混凝土轴向循环性能的全面研究。首先介绍了试验方案的结果，然后讨论了主要试验参数对试验结果的影响。然后将这些结果与两个为FRP约束混凝土提出的循环轴向应力-应变模型进行比较。
实验计划
试样和材料
总共制造了24个FRP约束的混凝土圆柱体，其混凝土芯直径为152.5毫米，高度为305毫米，并在轴向压缩下进行测试。试验参数包括混凝土抗压强度(NSC和HSC)、纤维增强塑料材料类型(CFRP和AFRP)、纤维增强塑料厚度(2至6层)和加载模式(轴向单调和轴向循环)。
试件是用新拌混凝土和高强混凝土混合料制备的，在试验期间，平均无侧限混凝土抗压强度达到39和103兆帕。两种混合物均由作为粗骨料的碎青石组成，标称最大粒径为10毫米。硅灰加入到HSC混合物中，其含量为粘合剂重量的8%。NSC样本由一个批次铸造而成，而HSC样本由两个单独的批次制备而成。在达到28天强度后，立即开始对高强混凝土试样进行测试，并持续约3周。混凝土圆柱体试验贯穿整个试验计划，以准确记录试验期间无侧限混凝土强度的变化。试验当天的无侧限混凝土强度f0co与表1中每个试样的相应轴向应变εco一起报告。εco值不是对所有对照样品直接测量的，而是使用Tasdimer(1998)给出的表达式计算的。
标本被CFRP或AFRP所限制。AFRP被用于约束核安全委员会和高强混凝土，而CFRP仅被用于约束高强混凝土样本。在确定试件的玻璃钢层数时，充分考虑了混凝土强度对约束要求的众所周知的影响(Martinez等人，1984；Yong等人，1988年；Razvi和Saatcioglu，1994年；Ozbakkaloglu和Oehlers，2008年a)。其中22个试件的玻璃钢夹套是通过在混凝土圆柱体周围沿环向方向手工缠绕浸渍的玻璃钢片而形成的。其中的两个样本(M1和M2)被以前手工制作的CFRP管所限制，而不是包裹。类似于包裹的样品，这些管是通过在环向将环氧树脂浸渍的纤维片包裹在精密切割的高密度聚苯乙烯泡沫塑料模板周围，使用手动湿铺法制备的。在所有样品中提供了100 mm的重叠长度，以防止过早脱粘失效。用2层和3层FRP约束的试件连续地用单一的FRP片材包裹，而用4层和6层FRP约束的试件用两个FRP片材包裹，因此具有两个重叠区域。试样的细节见表1
表2中提供了用于制造FRP护套的单向碳和芳族聚酰胺纤维片材的性能。针对每个独特的样本/加载配置，测试了两个名义上相同的样本。
样本名称
表1和表3中的标本标记如下:字母N和H分别用于标记NSC和HSC。其后是字母A或c。这些字母分别用于标记芳纶和碳纤维复合材料。接下来给出了玻璃钢层数，其后是字母M表示单调，字母C表示循环荷载。最后的数字1或2用来区分两个名义上相同的样本。例如，N-A-2L-C1是第一个两个相同的样本，由两层AFRP约束的国家安全委员会，并在循环荷载下测试。
测试设置和仪器
试样的轴向变形用四个线性可变位移传感器(LVDTs)测量，这些传感器安装在加载钢和支撑钢之间的拐角处
测试机器的板，如图1所示。记录的变形用于计算沿试样高度的平均轴向应变。此外，试样在中间高度用两个单向应变仪测量轴向应变，应变仪长度为20毫米。这些应变仪读数被用于在加载的早期阶段校正LVDT测量值，在这一点上，由设置中的间隙闭合引起的额外位移也被LVDTs记录。横向应变由三个单向应变仪测量，应变仪长度为20毫米，粘贴在重叠区域外的玻璃钢护套上。
使用一台5000千牛容量的万能试验机对试样进行轴向压缩试验。单调加载和循环加载的初始弹性部分以及循环加载的卸载/再加载循环是在3 kN∕s的载荷控制下进行的，而位移控制是在大约0:0.1 mm∕s用于超过初始软化的单调加载规格的整个响应以及循环加载试样的每个卸载曲线之间的段。测试前，所有样品的两端都用一薄层高强度覆盖材料覆盖，以确保所施加压力的均匀分布。如图1所示，通过使用两个直径为150毫米、厚度为15毫米的精密切割高强度钢圆盘，将荷载直接施加到混凝土芯上。对于12个试样，载荷单调增加直到失效。对于其余12个试样，包括卸载和再加载循环的循环压缩以大约0.15%的轴向应变间隔进行。在每个规定的轴向应变水平下，对这些试样进行单次卸载/再加载循环。保持30 kN的小轴向载荷
在卸载/重新加载循环期间，防止任何不希望的样品移动。测试设置和仪器如图1所示。
测试结果
故障模型
试样的典型失效如图2所示。所有的试件都因玻璃钢夹克衫破裂而失败。如图2所示，在混凝土中观察到两种不同类型的损伤，取决于其抗压强度。如图2(a)所示，在NSC样品中形成了混凝土剪切锥，表明在这些样品中发生了逐渐的混凝土压碎。另一方面，如图2(b)所示，在高强混凝土试件中，损伤高度集中在主剪切裂纹周围。
轴向应力应变行为
关键实验结果的总结如表3所示。结果包括:玻璃钢环向断裂应变(εh；rup)、约束混凝土的极限轴向强度和应变(f 0cc和εcu)以及强度和应变增强比(f 0cc∕f 0co和εcu∕εco).极限约束混凝土强度f 0cc是根据试样破坏前记录的轴向载荷计算的。对约束混凝土的极限轴向应变εcu进行了平均
从四个LVDTs和环向断裂应变εh；除非另有说明，RUP是从三个应变仪读数中平均出来的
在表3中。关键的试样性能指标，即强度增强系数k1、应变增强系数k2和应变降低系数kε也在中给出表3本文随后将详细讨论这些指标。
表3本文随后将详细讨论这些指标。
本研究循环测试样品的轴向应力-应变曲线如图3所示。在图3的每个图表中，还包括了两个名义上相同的单调加载试样的应力-应变曲线，以供比较。图3示出了单调加载的规格的应力-应变曲线呈现上升的第一分支，其后是上升的或几乎平坦的第二分支。不出所料，第二分支的应力-应变行为受到重要约束参数的显著影响，包括无侧限混凝土强度和类型以及约束材料的量。图3显示，大多数高强混凝土试件在应力-应变曲线的转变点处强度突然下降。这种现象可以被称为“初始强度软化”，可能与高强度混凝土的脆性有关。在这一阶段，玻璃钢夹套上记录的环向应变迅速增加，在某一点上，玻璃钢夹套产生的围压达到了足以限制高强混凝土的水平。该点对应于图3所示的应力-应变曲线上的平台形成，其跟随初始强度软化区域。如图3所示，轴向应变的进一步增加导致在纤维增强塑料约束的高强混凝土试样的应力-应变曲线中，最终部分几乎是平的或略微上升的。另一方面，NSC试样的应力-应变曲线是连续上升型的，在整个响应历史中没有软化的迹象，如图3所示。
表3显示，大多数循环加载的试件比单调加载的试件表现出更高的抗压强度和极限轴向应变。其他研究人员以前也曾报道过类似的现象(Rousakis，2001；Lam等人，2006年)。这些研究人员证明，载荷循环导致环向断裂应变增加，导致抗压强度和极限轴向应变增加。这些影响将在本文的后续章节中进一步讨论。图3中相同的外包和包裹管试样(即，H-C-4L-M和H-C-6L-M系列试样)的性能比较表明，这些试样的轴向应力-应变性能之间没有显著差异。因此，在随后的讨论中没有进一步考虑这些样品的差异。
讨论
包迹
混凝土的包络线代表混凝土在循环轴向压缩下的响应的上限。根据Karsan和Jirsa (1969)提出的假设，对于给定的循环加载混凝土试件，存在唯一的包络曲线，并且与单调加载下相同混凝土的应力-应变曲线相同。这一假设随后通过对无侧限和钢约束混凝土的后续研究得到了验证，并由Lam等人(2006年)和Abbasnia和Ziaadiny (2010年)证明也适用于FRP约束混凝土。
为了比较单调和循环测试样品的应力-应变曲线，图3还显示了包络曲线，该包络曲线是通过连接循环加载样品的应力-应变曲线上的初始卸载点而绘制的。图3显示了循环加载试样的包络应力-应变曲线与相应的单调加载试样的应力-应变曲线非常接近。这一观察结果与Lam等人(2006年)的报告一致，并支持他们的结论，即包络线的基本假设对FRP约束混凝土有效。
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