孔令鵬，單魯陽

KONG Lingpeng，SHAN Luyang

(浙江工業(yè)大學建筑工程學院，浙江 杭州310014)

CFRP 即碳纖維增強復合材料，是英文(carbon fiber reinforced polymer )的縮寫。近年來國內(nèi)外對于CFRP 材料的研究比較多［1-5］，但是關(guān)于CFRP管約束混凝土構(gòu)件的研究仍然處于初級階段。本試驗主要針對CFRP 管約束混凝土柱的軸心受壓力學性能進行研究，從纖維纏繞角度以及纖維纏繞層數(shù)兩個方面，分析其對CFRP 組合構(gòu)件力學性能的影響。

1 試件的制作

本試驗共4 組18 個試件，系統(tǒng)地研究纖維布鋪設角度、管壁厚度對CFRP 管約束混凝土柱承載力的影響。材料性能指標見表1、表2，試件編號見表3。

表1 C 纖維布性能指標

表2 碳纖維復合浸漬粘貼結(jié)構(gòu)膠性能參數(shù)

表3 試件分組

2 測點布置及數(shù)據(jù)采集

CFRP 管約束混凝土柱在軸向荷載作用下發(fā)生變形，為了準確地反映出CFRP 管變形特征，本試驗在CFRP 管外側(cè)粘貼了應變片，應變片貼在CFRP管中部，間隔120°設置橫向和縱向兩個30 mm ×3 mm 規(guī)格的應變片，共計6 個，測量CFRP 管中部的橫向和縱向的應變;對于素混凝土柱僅在混凝土外側(cè)中部間隔120°布置橫向和縱向兩個應變片，考慮到素混凝土柱外部的不均勻性，素混凝土柱外部采用50 mm×3 mm 的應變片。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗破壞現(xiàn)象

在加載初期由于作用力較小，無明顯試驗現(xiàn)象，每間隔100 kN 通過數(shù)據(jù)采集儀器對正在加載試件的軸向和環(huán)向應變進行一次數(shù)據(jù)采集。當壓力試驗機加載到極限荷載的70%左右時，有咝咝的纖維斷裂聲，用于固定應變片的環(huán)氧樹脂開始脫落，此時每間隔50 kN 進行一次數(shù)據(jù)采集。隨著荷載的逐漸增大，纖維斷裂聲更加明顯，局部環(huán)氧樹脂被彈飛。當加載到極限荷載的90%左右時，纖維斷裂聲持續(xù)不斷，為詳細了解破壞前的變形特征，每間隔20 kN 進行一次數(shù)據(jù)采集。當加載到極限荷載時，試件中部突然炸裂，內(nèi)部混凝土飛濺出來，CFRP 管中間部分脫落。此時壓力試驗機開始卸載，在計算機上顯示出試件的極限承載力和極限壓強，詳細破壞現(xiàn)象見圖1。

圖1 試件破壞現(xiàn)象

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 纖維纏繞角度的影響

隨著纖維纏繞角度的變化組合構(gòu)件承載力隨之變化的主要原因在于，纖維管對內(nèi)部核心區(qū)混凝土的約束作用發(fā)生了改變，當纖維纏繞角度從0°～30°變化時，纖維受力沿水平和垂直方向分解，由于纖維只能承受拉力而不能承受壓力，所以不考慮纖維軸向受壓，且纖維的極限受拉承載力一定，則沿水平方向分量必定小于0°時纖維對內(nèi)部混凝土的約束。當纏繞角度較小時水平方向分量相比0°時改變很小，隨著纖維纏繞角度的加大，水平方向的約束力明顯減少，承載力持續(xù)下降。本實驗中研究纖維纏繞角度為0°、15°和30°的構(gòu)件，其中纖維纏繞角度為0°時承載力最大，纖維纏繞角度為15°的構(gòu)件次之，纖維纏繞角度為30°的構(gòu)件最小。見圖2、表4。

圖2 纖維纏繞角度荷載-應變關(guān)系曲線

表4 纖維纏繞角度對極限承載力影響

3.2.2 纖維纏繞層數(shù)的影響

纖維纏繞層數(shù)在加載初期對組合構(gòu)件的影響很小，當環(huán)向、軸向應變超過混凝土峰值應變后，三組構(gòu)件的應變變化趨勢出現(xiàn)差異。見圖3。應變相同條件下ZⅡ-3 構(gòu)件需要的力最大，ZⅡ-2 構(gòu)件次之，ZⅡ-1 構(gòu)件所需的力最小，這說明隨著纖維纏繞層數(shù)的增加組合構(gòu)件的剛度增大。變形減小，從表5中我們還可知道組合構(gòu)件的軸向極限受壓承載力隨著纖維纏繞層數(shù)的增加而增大。

圖3 纖維纏繞層數(shù)荷載-應變關(guān)系曲線

表5 纖維纏繞層數(shù)對極限承載力影響

4 結(jié) 語

通過試驗可得各組構(gòu)件的極限承載力，由此我們可以得出如下結(jié)論:

(1)CFRP 管中纖維層數(shù)為1～3 層時隨著纖維纏繞層數(shù)的增加，CFRP 組合構(gòu)件的承載力不斷提高，單層纖維強度提高效率最高。

(2)CFRP 管中纖維纏繞角度為0°～30°時隨著纖維纏繞角度的增加，組合構(gòu)件的承載力逐漸減小，本試驗中纖維纏繞角度為0°時組合構(gòu)件承載力提高幅度最大。

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