摘要：針對(duì)箍筋約束與碳纖維約束混凝土軸心受壓力學(xué)性能，基于大量的軸心受壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了約束混凝土軸心受壓力學(xué)性能的主要影響因素，分別建立了箍筋約束與碳纖維約束混凝土軸心受壓時(shí)的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變的計(jì)算公式；對(duì)比分析結(jié)果表明，箍筋約束混凝土優(yōu)勢(shì)在于低特征值段，碳纖維約束混凝土的性能在高特征值時(shí)將超過(guò)箍筋約束混凝土。

關(guān)鍵詞：約束混凝土；軸壓性能；配箍特征值；含纖特征值

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2013）04-0032-06

采用約束材料對(duì)混凝土施加約束可以有效提高混凝土強(qiáng)度和變形能力，提高構(gòu)件的延性，改善其抗震性能。箍筋約束與碳纖維（CFRP）約束混凝土是工程中常見(jiàn)的2種形式，各國(guó)學(xué)者已對(duì)其軸心受壓力學(xué)性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。研究表明，不同約束形式對(duì)混凝土的約束效果各不相同，文獻(xiàn)[1]對(duì)箍筋約束混凝土的受力機(jī)理進(jìn)行了研究，提出了考慮箍筋約束效應(yīng)的方法，文獻(xiàn)[2，4，5-7]根據(jù)軸心受壓試驗(yàn)結(jié)果分別建議了箍筋約束與碳纖維約束混凝土本構(gòu)模型，文獻(xiàn)[8]根據(jù)約束效果的不同，提出了FRP約束混凝土分為強(qiáng)、弱約束的判別方法。目前，已有研究大多針對(duì)二者各自的軸壓性能，沒(méi)有將2種材料對(duì)混凝土的約束效果進(jìn)行對(duì)比分析。筆者在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析對(duì)比了箍筋約束與碳纖維約束混凝土的軸心受壓力學(xué)性能，并評(píng)價(jià)了2種材料對(duì)混凝土的約束效果。

1箍筋約束與碳纖維約束的不同特點(diǎn)

1.1材料材性

碳纖維是一種脆性材料，彈性模量與鋼材相差不多；但其抗拉強(qiáng)度較高，一般約為普通強(qiáng)度箍筋的5～8倍。由于二者材料自身特性和構(gòu)造方式的差異，造成箍筋約束與碳纖維約束混凝土的力學(xué)性能和約束效果各有其特點(diǎn)。

1.2約束混凝土受力性能和機(jī)理

箍筋配置在混凝土內(nèi)部，可為單個(gè)箍筋，也可為各種形式的復(fù)合箍筋，除保護(hù)層混凝土不受約束外，箍筋所包圍的混凝土均受有不同程度的約束。碳纖維一般將混凝土包裹在內(nèi)，包裹可以為單層或多層的連續(xù)包裹，也可為每隔一定間距包裹，包裹內(nèi)的混凝土均受有不同程度的約束。圖1為箍筋約束與碳纖維約束混凝土軸心受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的曲線(xiàn)^{[2，4-5，9]}，由圖可知，約束能明顯改善混凝土的受力性能，特別是應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)峰值點(diǎn)后的性能，且隨約束水平的提高下降段變得平緩；當(dāng)約束水平很高時(shí)，曲線(xiàn)還會(huì)表現(xiàn)出一定的硬化現(xiàn)象。

箍筋與碳纖維約束混凝土的受力機(jī)理類(lèi)似^[1]，由于拱效應(yīng)（圖2）的存在，截面可分為弱約束區(qū)和強(qiáng)約束區(qū)2部分。約束效果與箍筋形式、間距、配箍率以及CFRP的包裹形式、層數(shù)、用量等有關(guān)。由于箍筋較碳纖維片材剛度大，沿橫截面箍筋的約束效果高于條帶碳纖維約束；全包碳纖維的試件沿縱向不存在弱約束區(qū)。

2約束混凝土軸心受壓力學(xué)性能的主要影響因素

試驗(yàn)數(shù)據(jù)取自各國(guó)箍筋和碳纖維約束混凝土軸心受壓的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)^[2-20]，試件數(shù)量共計(jì)126個(gè)，其中箍筋約束混凝土試件90個(gè)，碳纖維約束混凝土試件36個(gè)，所選的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不包括有預(yù)加軸力和部分參數(shù)不明確的試件。箍筋約束混凝土的主要影響因素包括箍筋強(qiáng)度、箍筋體積配箍率和混凝土強(qiáng)度。文獻(xiàn)[2，9，11，13]試件的參數(shù)考慮了上述3種因素的影響，箍筋形式包括矩形箍、菱形箍、井字箍、八角箍。文獻(xiàn)[3-4，16-18]試件考慮了箍筋體積配箍率、箍筋形式的影響，箍筋形式包括矩形箍、菱形箍、井字箍、十字箍、八角箍。混凝土強(qiáng)度等級(jí)的范圍為C20～C80，箍筋屈服強(qiáng)度的范圍為231～770 MPa；箍筋體積配箍率的范圍為0.88%～553%；配箍特征值的范圍為0.021 9～1.264。碳纖維約束混凝土的主要影響因素包括纖維強(qiáng)度、體積含纖率和混凝土強(qiáng)度。所有文獻(xiàn)的試件均考慮了體積含纖率的影響，文獻(xiàn)[6-7，10]試件包裹方式為全包，其他文獻(xiàn)中含有條帶包裹的形式；文獻(xiàn)[8]試件考慮了不同混凝土強(qiáng)度的影響。混凝土強(qiáng)度等級(jí)的范圍為C20～C80，CFRP抗拉強(qiáng)度的范圍為1 800～4 810 MPa，彈性模量的范圍為220～241 GPa，體積含纖率的范圍為0.11% ～1.45%，含纖特征值的范圍為0.052～1038。

2.1體積配箍率和含纖率

約束材料的用量對(duì)約束混凝土的力學(xué)性能有重要影響，筆者采用體積配箍率ρv和體積含纖率ρf來(lái)表征材料用量的大小。圖3為不同體積配箍率和含纖率對(duì)約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的影響^{[3-4，5，10]}。文獻(xiàn)[3-4]所用試件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C80和C50，考慮了體積配箍率和箍筋形式的影響；文獻(xiàn)[5，10]試件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C30和C20，主要變化參數(shù)為纖維用量。由圖3可見(jiàn)，無(wú)論采用箍筋還是碳纖維作為約束材料，增加約束材料用量能夠較好的改善約束混凝土的強(qiáng)度和變形性能。隨著體積含箍（纖）率的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)后期軟化趨勢(shì)得到明顯改善，特別是對(duì)碳纖維約束混凝土，隨含纖率的增加，約束效果更明顯。

2.2約束材料強(qiáng)度

圖4為不同材料強(qiáng)度對(duì)箍筋（碳纖維）約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的影響^{[2，5-7，11-12]}。文獻(xiàn)[11]試件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，考慮了箍筋強(qiáng)度和箍筋形式的影響；文獻(xiàn)[5-7，12]中的試件具有相近的混凝土強(qiáng)度和纖維用量，可比較不同纖維強(qiáng)度的影響。由圖4可知，增加箍筋或碳纖維約束材料的強(qiáng)度能在一定程度上改善約束混凝土的受力性能，但提高效果不及增加材料用量明顯。實(shí)際上，高強(qiáng)材料強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮依賴(lài)于材料用量的大小，在保證合理的體積配箍率或含纖率的前提下，提高材料強(qiáng)度會(huì)有效的提高約束混凝土的力學(xué)性能。

3.3混凝土強(qiáng)度

圖5為不同混凝土強(qiáng)度對(duì)箍筋（碳纖維）約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的影響^{[8-9，13-15]}。文獻(xiàn)[9，13]試件箍筋的強(qiáng)度分別為245、445 MPa，考慮了箍筋用量和混凝土強(qiáng)度的影響；文獻(xiàn)[8，14-15]試件碳纖維的強(qiáng)度分別為4 030、1 800 MPa，纖維用量和混凝土強(qiáng)度為主要參數(shù)。由圖5可知，隨著混凝土等級(jí)的提高，約束效果變?nèi)?，約束混凝土的強(qiáng)度和延性均有所降低。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土，必須同時(shí)增大材料用量和約束材料強(qiáng)度，才能保證達(dá)到理想的約束效果。

4約束效果的對(duì)比分析

按箍筋屈服強(qiáng)度計(jì)算的配箍特征值與按碳纖維的折減抗拉強(qiáng)度計(jì)算的含纖特征值，兩者都是無(wú)量綱量且在物理意義上是一致的。因此，可以特征值為參數(shù)對(duì)箍筋約束與碳纖維約束混凝土的受力性能進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1強(qiáng)度提高效果

圖10為箍筋約束與碳纖維約束混凝土強(qiáng)度的對(duì)比曲線(xiàn)。由圖可知，特征值在0～0.661范圍內(nèi)，箍筋對(duì)混凝土的約束效果稍好于碳纖維約束；當(dāng)特征值>0.661時(shí)，碳纖維對(duì)混凝土的約束效果明顯優(yōu)于箍筋約束。

4.2變形性能提高效果

圖11為箍筋約束與碳纖維約束混凝土變形性能的對(duì)比曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，對(duì)峰值應(yīng)變來(lái)說(shuō)，當(dāng)特征值小于0.755時(shí)，箍筋約束混凝土峰值應(yīng)變提高值優(yōu)于碳纖維約束混凝土，當(dāng)特征值大于0.755時(shí)，纖維約束混凝土峰值應(yīng)變提高效果明顯超過(guò)箍筋約束混凝土。對(duì)極限應(yīng)變來(lái)說(shuō)，箍筋約束與碳纖維約束混凝土的約束效果二者基本相當(dāng)。

通過(guò)上述對(duì)比分析可知，當(dāng)特征值較低時(shí)，箍筋約束混凝土的力學(xué)性能稍高于碳纖維約束混凝土，當(dāng)特征值較高時(shí)，碳纖維的約束效果明顯優(yōu)于箍筋約束混凝土。原因在于碳纖維抗拉強(qiáng)度較高，在低特征值范圍內(nèi)纖維用量與箍筋相差較多，影響了約束效應(yīng)的發(fā)揮；在高特征值時(shí)，纖維用量提高，其約束效應(yīng)得到充分發(fā)揮。

5結(jié)語(yǔ)

1）箍筋約束和碳纖維布約束的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)有較多相似的方面，但由于材料特性和構(gòu)造方式的差異，二者具有不同受力變形特點(diǎn)。

2）箍筋約束混凝土和碳纖維約束混凝土都能很好的提高軸心受壓混凝土方柱強(qiáng)度和變形能力，并且強(qiáng)度和變形能力隨著配箍特征值和含纖特征值的提高而提高。

3）建立了箍筋約束混凝土和碳纖維約束混凝土峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及極限應(yīng)變的計(jì)算公式，公式簡(jiǎn)便、易用，可用于混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。

4）低特征值時(shí)箍筋約束混凝土的力學(xué)性能高于碳纖維約束混凝土，特征值增加到較高值時(shí)，碳纖維的約束效果超過(guò)箍筋約束混凝土。

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（編輯胡英奎）