FRP约束混凝土柱问题分析

摘要：frp以其抗拉强度高、质量轻、耐腐蚀、易于加工等特点而倍受土木工程界的关注。本文从约束作用、应力一应变关系曲线、强度模型、计算模型、抗震、耐久性等方面阐述了FRP约束混凝土柱的发展现状.讨论了在FRP加固混凝土柱的研究中还没有解决的尺寸效应问题.

关键词：FRP，混凝土柱，加固

一.FRP对混凝土的约束作用

在对FRP加固轴压混凝土柱的研究中发现，在加载初期，混凝土柱的性能受FRP约束的影响很小.随着混凝土内部裂缝发展，混凝土柱的体积开始增大，使外包的FRP环向受拉，反过来环向受拉的FRP又限制混凝土柱的增大，对混凝土柱起到一个约束的作用，从而使柱处于三向受压的状态，混凝土柱的承载能力得到

提高，同时延性也可以有所增加

二.应力-应变关系模型

在对FRP加固混凝土柱的抗震设计中，需要可靠的应力应变关系模型.最早研究FRP应力应变关系曲线的是Fardis and Khalili，他们首先建立了这样的假定：（1）FRP只承受拉力，不承受压力；（2）FlIP变形和混凝土的变形相同.在这两个假定条件下他们在1982年提出了公式

式中： -混凝土的压应力

Ec-混凝土的弹性模量

-混凝土的应变

-混凝土峰值应力对应的应变

-约束混凝土的强度

这是第一个应力-应变关系模型.后来许多学者为了准确的拟合FRP约束混凝土的应力-应变关系曲线，提出了多种数学模型.但是由于不同学者试验时所采用的纤维种类、纤维布厚度、粘结剂种类、构件截面形状以及混凝土的性能、试件的尺寸等参数不同，导致了不同的模型计算出的结果相差很大.lam and Teng在2002年收集了大量学者的数据建立了一个应变数据库，并结合自己的实验拟合出一个模型.认为FRP约束混凝土的应力-应变曲线应该分为两个阶段

式中：E2-应力-应变曲线第二直线段的曲率

-应力.应变曲线转折点的应变

-无约束混凝土的抗压强度

该模型得到许多学者的认可，腾锦光推荐设计时使用该模型.

三.强度模型

在对FRP加固混凝土柱的设计当中还需要考虑FRP外包柱的强度提高程度，这就需要建立它的强度模型，最初这些模型是参考钢约束混凝土的强度模型，但后来经试验研究发现这些参考钢约束混凝土而建立的强度模型，其结果是不安的，因为FRP材料没有屈服阶段，而且弹性模量比钢材的低，变形比钢材的要大.因此一些学者提出了针对FRP约束混凝土柱的强度模型，一般是都是采用如下形式：

式中： -混凝土柱加固前的强度

fcc-混凝土柱加固后的强度

fl-侧向约束应力

kl一强度提高系数，关于k1的建议取值见表1

周长东在2003年通过试验验证认为Lain and Teng模型和试验吻合程度很高.

四.FRP约束混凝土柱的极限强度与极限应变计算模型

式中 和 分别为约束混凝土柱与非约束混凝土柱的极限抗压强度， 和 分别为约束混凝土柱与非约束混凝土柱的极限压应变。

式中： 为混凝土的弹性模量； 为纤维复合材料断裂时的应变。

式中： 为纤维复合材料弹性模量。

五.抗震性能、耐久性的研究

FRP约束混凝土具有良好的抗震约束性能.许多学者通过实验研究和理论分析证明用FRP加固后混凝土柱的延性和抗剪能力都可以大幅度提高，其荷载.位移曲线，弯矩.曲率曲线的滞回圈圆润饱满.

由于FRP耐久性问题提出得比较晚，同时由于耐久性研究的周期比较长，虽然目前研究也取得了一定的进展但是还停留在实验阶段.天津大学做了CFRP在海水侵蚀环境中的侵蚀性试验.以浸泡12小时再烘温l2小时为一个循环.试验结果显示在酸碱盐的侵蚀下FRP组合构件的破坏始自FRP与混凝土界面的粘结破坏.随着循环次数的增加，FRP约束构件与未约束构件的强度均随循环次数增加呈先降后升再降的变化过程，FRP加固构件耐海水腐蚀的性能明显优于未加固的构件。

六.有待研究的问题

1 尺寸效应问题

材料的尺寸效应是指在脆性和准脆性材料当中，材料的力学性能不是一个常数而是随着尺寸变化而变化的一个变量.如混凝土强度等级是根据直径150mm的立方体试件的抗压强度标准值确定的，如果采用边长100mm的立方体试件或200mm的立方体试件的抗压强度标准值则分别要乘以1.05和0.95的系数，这是

由于考虑了尺寸效应的的影响.不可否认，在一切准脆性和脆性的材料当中都存在尺寸效应.

目前对FRP约束混凝土柱已经进行了大量的试验，但是由于试验条件的限制，试验用的构件通常是把实际构件按比例调整的模型，这种小尺寸构件的试验数据对实际构件设计的指导意义如何还需要进行进一步的研究.

七.结语

FRP加固混凝土结构在土木工程领域中有着广阔的应用前景.但是由于土木工程界对FRP的研究开始得比较晚，许多方面需要进一步的研究。目前FRP仍然是工程界研究的一个热点.用FRP加固混凝土构件不但可以达到理想的加固效果，还可以节省成本。相信随着研究的深人，FRP会在加固领域获得更为广阔的应用空间。

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