FRP复合材料在混凝土柱中的应用

FRP复合材料在混凝土柱中的应用摘要：FRP复合材料在混凝土中的应用是很有前景的。本文提供了FRP在这一领域最近研究的综述。根据现有的文献发现，现在大多数FRP复合材料的应用和研究都是集中在应用FRP加固和修复混凝土柱来提高其延性。也有应用FRP管或FRP筋设计的柱的研究成果。FRP管应用的介绍是与钢管混凝土和管状混凝土结构进行比较叙述的。用FRP管或钢筋增强混凝土柱的横向约束提高其延性，对抗震设计是很有利的。管约束混凝土柱（CCFT）是作者根据可靠试验结果提出的。关键词：混凝土柱钢管混凝土柱管约束混凝土柱约束FRP布FRP筋FRP管加固管柱1.引言FRP复合材料被逐渐的应用在土木建筑中。FRP具有高强度、比强度高、可塑性好，化学性质稳定等特点。随着近些年的发展，FRP复合材料的成本有所降低，例如：（1）通过挤拉成型、树脂传递成型、纤维缠绕等方式降低FRP的制造成本；（2）减少材料在高定价国防工业的需求；（3）在运动和休闲商品中扩张高度竞争的市场；（4）在民政部门具有大量使用的前景；（5）FRP的设计和制造结合传统材料复合,如混凝土、钢等。近年来，研究FRP在土木工程中应用的信息急剧增加，每年召开一至两个关于FRP的会议。FRP在钢筋混凝土柱中的应用是最常见的。本文是关于FRP材料在混凝土结构柱中应用的最新综述。根据现有文献，GFRP和CFRP是现在最常用的两种材料。FRP材料已经应用于对现有混凝土柱的加固和新建建筑当中。2.混凝土柱的加固破坏性地震急切的提醒人们对高震区建筑结构进行加固来满足目前的抗震规范。对于钢筋混凝土柱，需要用加固的方法来解决如下问题：由于纵向钢筋搭接接头设计不恰当引起的抗弯强度和延性不足；潜在的塑性铰约束不良；抗剪强度不足以及柱与梁、基础连接设计不当等。传统的加固方法包括在柱子外面增加钢筋混凝土面层；用钢丝缠绕在柱子的外面然后再浇上混凝土；用钢套在混凝土柱外面来约束混凝土柱。钢套可以看做是一种管柱系统，其在柱外面增加横向约束，如图1所示。尽管钢套在加利福尼亚已广泛的应用，在其他地方，其随着时间被慢慢消耗，因此可能引起交通破坏，因腐蚀易降解。社会正在寻找其他可选择的改进方法，加速对现有的大量存在缺陷的结构的加固进程。FRP不仅是一个有效的替代品，而且可以提供很好的加固方法。图1带FRP管或者布的部分框架结构2.1原地安装FRP布目前发展了很多复合布系统并且在实验室和实际中得到应用。这些复合布技术可以分为原地安装布，原地安装布可以手动或自动布置，用环氧树脂胶合玻璃纤维或碳纤维然后再混凝土表面拖拽。原地安装布的主要优点是其可以安装在大多数形状的柱上。然而，由于原地装配的特性，这个系统需要特别注意质量控制和FRP的固化。Seible对CFRP和GFRP加固系统已经进行了一些试验研究。这些研究中，近一半是以轴压弯曲和剪切为主导的试验。这些试验表明用FRP布在弯曲的搭接塑性铰区域以及在整个剪切高度区域的加固效果和用钢套箍的效果类似。明显的，稳定的滞回曲线达到位移延性水平8证明是挠曲试验，达到10是剪切试验。Pantelides最近进行了碳纤维复合材料应用到3个柱和桥墩的盖梁的试验。大对数提到的研究是针对桥墩施加相对较低的轴向荷载。加固诸如建筑中的具有高的轴向荷载的柱是比较困难的。图2所示：轴压比从0.33到0.56的方柱的曲率曲线，CFRP加固的柱的效果明显比没用CFRP加固的好。加固相同层数的CFRP布，约束效果随着轴向荷载的增加而下降。图2不同轴压比下柱的特性（a）轴压比0.33（b）轴压比0.562.2预制FRP布预先制作FRP布，是复合材料的一种新的的制作工艺。FRP布要在加固柱之前制作。两种预制E-glass复合材料布的方法见图3.对钢筋混凝土的柱的加固和修复的研究工作在南加利福尼亚大学进行。预制FRP布或被连续制作成盘装的多层卷或被切割成沿纵向方向有裂口的单层柱状壳体。在加固柱时，把布打开，裹住柱。然后用摇溶的、二合一的氨基甲酸乙酯把布的接口处粘起来，这就在柱的表层形成了一层膜。把这种较特殊的布的裂口错开以避免柔软部分连接集中。在试验时，制作9个二分之一比例的桥墩模型以验证预制FRP布的约束性能，并形成设计方法。最近,在加利福尼亚的萨克拉门托西部的尤罗县的堤路桥的超过3400个桥墩上包裹了预制的FRP布，如图4。迄今为止，这个工程可能是美国北部最大的用FRP布对由地震引起的破坏进行修复的商业应用。另外两种预制FRP布的方法是两分法，箱型法。Teng和Lam研究了CFRP布，在试验中，把原来的方形柱改成圆柱，并在外面包上CFRP布。图3两种类型的预制FRP布2.3试验时的特殊问题在实际的加固过程中，FRP布包裹在恒荷载和活荷载持续作用下的柱上。但是，为了试验方便，在许多试验中，模拟荷载只有轴力、剪力、动荷载。在安装上FRP布后，对模型构件施加模拟荷载。Lietal研究不符实际的安装次序的FRP布和施加轴力对柱性能的影响。他们的试验结果表明：在按好FRP布后施加轴力，进行试验，和实际情况相比，FRP布更早得发挥作用，导致较高混凝土的初始刚度和不真实的较大的延性。这个影响值得将来进行更深入的研究以得到对FRP修复功效的更真实的评价。3新结构虽然国内基础设施的加固和改造为复合材料的直接应用提供了巨大的潜力，但是和传统的材料相比，直接利用轻质、高强的FRP复合材料的新结构的发展展现了巨大的潜能。用FRP作为解决方案或新的复合材料FRP/混凝土体系的新结构正在发展。高强、耐化学腐蚀、便于设计和特定的性能都是未来发展的趋势。3.1FRP钢筋混凝土柱由于钢筋的腐蚀引起混凝土性能退化，因此就需要选择钢筋的型号。纤维增强的聚合物是一种无腐蚀的材料，许多研究者去研究它，并且最近在一些结构中把它用作增强抗腐蚀和退化材料，在欧洲，用带树脂的玻璃纤维拉伸形成的圆棒发展成了一种预应力体系。现在许多桥梁使用这种预应力筋，1980年荷兰的早期研究中，就已经使用这种人工合成的纤维（芳香族聚酰酩，人工纤维一种）以拉挤的形式进行施加预应力，有扁条的和圆条的。这种预应力体系在欧洲许多结构中已广泛使用。尽管它刚度低并且缺乏延性，但对于抗腐蚀钢筋还是有用的，例如制作FRP。用它进行加固比它刚度更有用。而且由于FRP的弹塑性，延性设计是不适用的。最近，基于一些研究的成果，对于FRP钢筋混凝土的设计在欧洲已经进行。3.2含FRP箍的钢筋混凝土一些学者研究了用FRP来约束剪切变形。FRP筋或网格作为箍筋与普通的钢筋连接作为纵向钢筋来设计钢筋混凝土柱有很多优点。在这个系统里，三种材料混凝土、钢筋、FRP都被充分利用，特别是对抗震柱的延性设计很有帮助。目前钢筋混凝土柱的结构设计方法和理论都适用于FRP箍柱。3.3FRP管混凝土柱ConcreteFilledFRP-TubeColumns近年来，钢管混凝土已经被应用于建筑工业中，尤其在中国、日本这样的地震地区。其优点包括可以提高柱的强度和延性，以及增强剪切强度。然而，在具有腐蚀性的环境中使用钢管造价过高。由于FRP材料耐腐蚀、强度高、自重轻，所以FRP在某些环境中是取代钢管的理想材料。FardisandKhalili做了5组76X152X1220mm素混凝土的梁柱试验，梁柱的外面用玻璃纤维缠绕。研究FRP管混凝土柱的单轴压缩试验是对FRP管约束混凝土的应力应变的发展。今年来Mirmiran进行了较大规模的FRP混凝土的梁柱试验。Mirmiran也进行了FRP混凝土梁柱在持续的轴向荷载和弯曲荷载作用下的徐变和收缩试验来预测这种系统的特性。实验结果表明：当前的ACI方法过高的估计了FRP管混凝土的收缩徐变性能。人们逐渐发展了非线性徐变模型来说明混凝土和FRP之间徐变特性的不同，以及随时间变化发生在两者之间的应力再分配。根据这个实验和分析结果，建议修改当前的FRP管混凝土的徐变系数。3.4FRP管混凝土柱FRPTubedConcreteColumns所谓的管约束混凝土柱是在管中浇筑混凝土形成的柱(CFT)。在管混凝土柱中，管作为横向约束来约束核心混凝土而钢筋作为纵向加固混凝土。这里有个细节，在柱子的两端留下一段孔隙，避免轴向压力直接把力传递给管。这里的管柱不同于传统的主要作为纵向约束来承受轴力和弯曲的管柱，它主要横向约束混凝土。管柱的概念是被Tomii,Sakino,XiaoandWatanabe在1985年的国际管结构混凝土柱会议上第一次提出的。在这篇文章里，通过试验结果证明了钢管混凝土柱的优点。FRP管混凝土柱基于钢管混凝土柱同样的概念被定义的。初步搜索近年来关于FRP管混凝土柱研究成果的文献发现FRP管混凝土柱具有很多优点，与钢管混凝土柱相似。3.5FRP管混凝土柱与FRP钢管混凝土柱正如前面所讨论的，FRP管可以用在钢管管混凝土中。BurguenoandSeible以这些为特点进行强度设计和延性概念设计，如图5。对于CFRP管作为横向约束的管柱的非弹性设计或延性设计，比钢筋混凝土柱的稳定性和延性响应更好，如图5（c）。FRP管作为纵向和横向的弹性强度设计像钢管混凝土柱一样受到限制，这是因为CFRP管的层间剪切强度低。因此，适当的强度反应设计依靠在关键部位提供附加箍筋和在连接地方提供过渡区的详细设计。显然，在当前的抗震设计理论很难实现。因此，管柱的格式比FRP管柱更好。虽然这个普遍的理解，如果FRP管柱使用更多的纤维这将更有利于管柱的延性设计。Mirmiran介绍了一组GFRP管混凝土柱在循环荷载作用下试验结果，表明其具有很好的延性性能。然而，细节设计如轴向荷载的大小和剪跨比的大小的设计都是没有依据的。图5用CFRP管包裹的钢筋混凝土柱（a）延性设计（管柱）（b）强度设计（管混凝土柱）（c）响应包络图3.6被管约束的混凝土柱作者最近定义和试验验证了一种新型的混合柱系统叫做管混凝土柱或被管约束的混凝土柱。被管约束的混凝土柱包含传统的管混凝土柱的优点。在被管约束的混凝土柱中，在潜在的塑性铰区域增加了额外的横向约束，如图6，实现了改善抗震性能的目的。基于基本的力学原理，设计主要是针对钢管的局部屈曲和在关键区域更好的约束管混凝土柱。图6碳管混凝土柱（a）框架部分正视图（b）不同管的应力状态被管约束的混凝土柱被期望克服传统管混凝土柱的缺点和为高层建筑及桥梁提供更好的结构设计，尤其是在地震地区。下面是被管约束的混凝土柱被期望的几个优点：1）在被管约束的混凝土柱中的包括传统柱的功能和增加的横向约束的功能，他们是分开的，前者主要抵抗由轴力和柱中间部位的剪切引起的纵向应力，而额外的约束主要增强了潜在塑性铰区域的约束。2）附加的横向钢筋能有效地预防或延缓钢管混凝土柱在塑性铰区域的局部屈曲，从而通过稳定的承载能力和良好的延性改善其抗震性能。3)通过在混凝土塑性铰区域增加横向的钢筋约束来限制混凝土，可以提高混凝土柱的延性。4)由于附加的横向加固,在压缩的塑性铰区材料受到压应力(严格说来,三轴压缩),显示在第三象限图6(b)。与钢管的轴向压缩和横向压缩对比这是一个更有效率的工作状态(第四象限图6(b),是传统的钢管混凝土柱的管应力状态。5)传统的钢管混凝土柱,为了防止在塑性铰区域出现钢管局部屈曲,就需要一个相对较厚的钢材管,通常这样的厚度的管贯穿在整个柱的长度,特别是柱与一个矩形部分。另一方面,在被管约束的混凝土柱中，贯穿整个柱的管作为纵向约束来抵抗轴力和瞬间荷载，而通过在潜在的塑性铰区域附加横向约束来增加横向约束。贯穿这个柱的管的次要功能是抵抗柱中间部分的剪切应力。因此,可以预料,即使有附加的横向加固部的铰区域，被管约束的混凝土柱全部钢材的用量少于相同的的钢管混凝土柱。附加横向加固的设计，许多细节使用了传统的钢筋，例如XiaoandWu曾经使用过。FRP还被认为是由试验进行验证的。图7(a)和(b)分别显示和三分之一缩尺模型钢管和被管约束的混凝土柱侧向循环载荷试验结果。有两个直径为336毫米,厚3毫米厚的内填混凝土钢管柱。在被管约束的混凝土柱的塑性铰区域包裹了4层CFRP布。如图7所示，除了碳纤维布(CFRP)附加约