鐘金平， 霍靜思，2， 李 智

(1.湖南大學 教育部建筑安全與節(jié)能重點實驗室， 湖南 長沙 410082； 2.華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021)

0 引言

近年來，CFRP因其優(yōu)良的物理特性在工程中獲得廣泛應用，尤其是混凝土結(jié)構(gòu)加固領域。國內(nèi)外研究人員在CFRP約束常溫下混凝土力學性能的研究領域中已獲諸多成果。BERTHET[1]等、梁靖波[2]等、趙占超[3]等均進行了CFRP約束混凝土圓柱的軸壓試驗;研究發(fā)現(xiàn)，在CFRP約束作用下混凝土圓柱的強度及其延性均得到有效提高。BERTHET[1]等和梁靖波[2]等考察了混凝土強度等級對CFRP約束效應的影響;研究表明，提高混凝土強度等級并不利于發(fā)揮CFRP約束效應的作用。LAM[4-5]等、TENG[6]等在試驗和統(tǒng)計分析的基礎上提出了CFRP約束混凝土的抗壓強度模型。

中、小型火災作用后的混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)修復、加固后通?？衫^續(xù)投入使用。但目前為止僅有少數(shù)研究人員對經(jīng)歷過高溫作用的CFRP約束混凝土的力學性能展開了研究。郭永昌[7]等 完成了經(jīng)歷高溫作用后有外包CFRP約束的高強混凝土受壓試驗，試驗表明CFRP約束使高強混凝土的抗壓強度得到提高并改善了其延性，且高溫作用后的CFRP約束效應好于常溫。劉靜雅[8]等以溫度和CFRP層數(shù)為變量研究了高溫后混凝土軸心受壓力學性能；結(jié)果表明，外包CFRP使混凝土強度及其極限應變均有所提高，溫度越高和外包CFRP層數(shù)越多CFRP約束效應也越強。綜上所述，目前CFRP約束高溫后混凝土的研究局限于較低溫度段或試件為小尺寸。

因此，本文通過完成經(jīng)歷高溫作用后具有CFRP約束的標準尺寸混凝土圓柱體的抗壓試驗，圍繞溫度和外包CFRP層數(shù)兩種變量對CFRP約束混凝土的軸壓力學性能進行研究，結(jié)合試驗結(jié)果分析相關(guān)參數(shù)對其軸壓力學性能變化的影響規(guī)律，參考文獻[8]將試驗結(jié)果與現(xiàn)有常溫下CFRP約束混凝土強度的計算模型相結(jié)合并以相關(guān)假設為前提給出能計算其高溫后抗壓強度的計算模型。研究所得結(jié)果可評估CFRP約束火災后混凝土柱承載力，從而作為提出合理修復加固方案的理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本文設計12組，每組2次重復試驗共計24個尺寸為Φ150 mm×300mm的混凝土圓柱試件，試驗參數(shù)為溫度(常溫、200℃、400℃、600℃)和CFRP層數(shù)(0層、1層、2層)。混凝土等級為C40，澆筑完混凝土28d后測得其立方體抗壓強度fcu=44.1MPa，圓柱體抗壓強度fc=33.9MPa，軸心抗壓強度為38.9MPa，彈性模量Ec=30.49GPa。CFRP布為單向纖維布，極限抗拉強度為3587MPa，彈性模量為236GPa，CFRP布名義厚度為0.167mm。

1.2 試驗方法

高溫試驗在井式高溫爐內(nèi)進行，經(jīng)綜合考慮之后設升溫速率為10℃/min，試件恒溫時間取為8h以使其溫度場基本均勻。高溫試驗完成后，將試件置于干燥隔濕環(huán)境下靜置150d，之后對試件包裹CFRP布。外包CFRP布工作結(jié)束后將試件靜置20d，待CFRP粘結(jié)劑達到強度后進行靜力試驗。靜力試驗所用儀器為深圳萬測試驗設備有限公司生產(chǎn)的微機控制300t萬測試驗系統(tǒng)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

如圖1(a)為高溫后素混凝土圓柱體的破壞形態(tài)。C-20-0和C-200-0試件在荷載達到抗壓強度90%之前均表現(xiàn)完好狀態(tài)，之后試件表面出現(xiàn)裂紋，隨加載進程的進行裂紋擴展速度極快，最后試件破壞突然。兩類試件破壞時主裂縫均是一條貫穿型剪切斜裂縫。C-400-0和C-600-0試件經(jīng)高溫試驗后其表面本身存在很多細而密的溫度裂縫，溫度裂縫在加載初期并沒有迅速發(fā)展，加載進入中后期后這種裂縫開始不斷擴展，試件臨近破壞時表面大量豎向裂縫和斜裂縫并存，裂縫相互貫通，在試件中部形成混凝土壓碎帶，破壞時壓碎帶的混凝土剝落，最終呈倒角錐形態(tài)。其中C-400-0試件在破壞后由于操作不慎致使上下兩個錐體分離。

觀察圖1(b)、(c)所示的CFRP約束高溫后混凝土圓柱體的破壞形態(tài)圖可發(fā)現(xiàn)CFRP約束高溫后混凝土的破壞形態(tài)與素混凝土的破壞形態(tài)大不一樣。溫度和CFRP布層數(shù)變化對CFRP約束混凝土的破壞形態(tài)的影響規(guī)律不明顯，將試件破壞形態(tài)分為3種類型： ①CFRP被拉斷且混凝土爆裂。C-20-1、 C-200-2、C-400-2和C-600-2試件便是此破壞形態(tài)，臨近破壞前能聽到纖維連續(xù)急促的拉斷聲，破壞時發(fā)出“砰”的響聲，沿試件高度方向中間位置處的CFRP完全被拉斷，核心混凝土爆裂，四處飛濺，由圖1可看出如果將已經(jīng)斷裂的CFRP剝開并清理碎裂的混凝土，整個試件將呈倒角錐形態(tài)；②CFRP被拉斷而混凝土無爆裂現(xiàn)象。圖1(b)中的C-200-1、C-400-1、C-600-1均屬于這種破壞模式，試件破壞前同樣能聽見纖維拉斷的“嘶嘶”聲，破壞時發(fā)出“啪”的一聲。這種破壞模式下CFRP拉斷的位置隨機出現(xiàn)且核心混凝土僅部分壓碎并未出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象；③CFRP無明顯拉斷跡象且混凝土外觀相對完整。如圖1(c)中C-20-2試件，該試件破壞時沒有明顯的纖維拉斷聲，破壞后的外觀比較完好。

(a) 無CFRP約束試件

2.2 應力-應變曲線

圖2(a)為部分高溫后素混凝土的應力-應變曲線?？梢娗€基本為線性，彈性模量與抗壓強度均因高溫作用而減小，但極限壓應變增大；200℃時混凝土強度相比常溫時有所降低，但降幅不大；溫度超過200℃之后大幅下降。觀察混凝土應力-應變曲線的形狀可以發(fā)現(xiàn)溫度越高曲線形狀越扁平。

圖2(b)、圖2(c)和圖3所示為部分CFRP約束高溫后混凝土的應力-應變曲線，僅從曲線形式來看就明顯與素混凝土不同。 600℃之前，CFRP約束混凝的應力-應變曲線近似出現(xiàn)2個上升段。第1個上升段發(fā)生在加載前期，此階段的核心混凝土無較大側(cè)向變形，且CFRP纖維不受拉，對核心混凝土基本無約束，核心混凝土僅僅單向受壓。第2個上升段發(fā)生在加載中后期，核心混凝土達到抗壓強度,且側(cè)向膨脹變形已經(jīng)較大；此時CFRP橫向纖維受拉并約束著核心區(qū)混凝土,使核心混凝土由單向受壓變?yōu)槿蚴軌骸?00 ℃之后，曲線則幾乎只有一個上升段。

圖2(b)、圖2(c)為相同CFRP層數(shù)不同溫度時對應的部分試件的應力-應變曲線。由圖2可見相同CFRP約束情況下混凝土的抗壓強度隨溫度升高逐漸減?。簻囟鹊陀?00℃時，抗壓強度與常溫時相差不多；溫度達到400℃之后，CFRP約束混凝土強度的降幅增大；但對比無CFRP約束時混凝土的強度可以發(fā)現(xiàn)，外包CFRP后溫度對混凝土抗壓強度產(chǎn)生的軟化效應得以減弱。高溫降低了CFRP約束高溫后混凝土的初始彈性模量，但使其極限應變增大，觀察其應力-應變曲線的形狀發(fā)現(xiàn)溫度越高曲線形狀也越扁平。

圖2 CFRP層數(shù)相同時溫度不同的混凝土的應力-應變曲線Figure 2 Stress-strain curves of concrete with different temperatures at the same CFRP layers

圖3 相同溫度時不同CFRP層數(shù)的混凝土的應力-應變曲線Figure 3 Stress-strain curves of concrete with different CFRP layers at the same temperature

圖3為相同溫度下不同CFRP層數(shù)對應的部分CFRP約束高溫后混凝土應力-應變曲線。600℃之前，相同溫度下的3條應力-應變曲線在初始段重合較好，說明素混凝土的應力-應變曲線可以近似看作是CFRP約束混凝土的一部分，600℃后曲線離散性偏大。溫度相同時2層CFRP約束的混凝土抗壓強度和極限應變均比1層大，1層又比0層時大，可見CFRP約束作用使高溫后混凝土強度及其變形性能均得到增強，就強度而言，600℃時僅1層CFRP約束的混凝土抗壓強度都能達到常溫下的1.33倍。600℃之前，2層CFRP約束的混凝土應力-應變曲線第二個上升段的斜率較1層CFRP時略大；600℃之后，曲線則近似只有一個上升段。

2.3 試驗結(jié)果分析

圖4為CFRP層數(shù)相同時每組試件抗壓強度衰減系數(shù)αT平均值隨溫度變化的曲線：高溫后素混凝土強度受溫度影響較敏感，溫度不斷升高時其強度衰減也較為迅速，而CFRP約束高溫后混凝土抗壓強度的衰減幅度較素混凝土小很多，溫度達到600℃時，素混凝土強度衰減幅度高達70%，1層CFRP時為31%，2層CFRP時為26%。

圖5為溫度相同時每組試件抗壓強度增大系數(shù)αC平均值隨CFRP層數(shù)變化的曲線：1層CFRP約束時混凝土抗壓強度增大系數(shù)為1.96～4.49，2層CFRP時αC落在2.56～6.8范圍內(nèi)；溫度低于200℃時，相同CFRP層數(shù)對應的抗壓強度增大系數(shù)基本持平，溫度超過200℃后抗壓強度增大系數(shù)才明顯比常溫時大；相同CFRP層數(shù)下，溫度越高抗壓強度增大系數(shù)越大，可見核心混凝土高溫后損傷程度越大，CFRP約束強化效應越好。

圖4 相同CFRP層數(shù)時不同溫度對應的混凝土強度衰減系數(shù)圖Figure 4 Strength attenuation coefficient diagram of concrete corresponding to different temperatures at the same CFRP layers

圖5 相同溫度時不同CFRP層數(shù)對應的混凝土強度增大系數(shù)圖Figure 5 Strength increasing coefficient diagram of concrete with different CFRP Layers at the Same temperature

圖6(a)、圖6(b)分別給出了每組試件極限應變ε、e平均值隨溫度和CFRP層數(shù)變化的曲線?；炷翗O限應變隨溫度升高和CFRP層數(shù)增加均呈增大趨勢：相同CFRP層數(shù)下，溫度從常溫變化到200℃時極限應變變化幅度很小，200℃后極限應變顯著增大；素混凝土和僅包裹1層CFRP布約束的混凝土其極限應變在400～600℃時增幅最大；外包2層CFRP布時，混凝土在200～400℃時極限應變增幅最大。相同溫度情況時，CFRP約束混凝土的極限應變較素混凝土的極限應變大很多。

圖6 CFRP約束混凝土極限應變變化圖Figure 6 Ultimate strain curves of concrete confined by CFRP

表1為Sσ-ε試驗結(jié)果統(tǒng)計表。圖7為每組試件Sσ-ε平均值隨溫度變化的曲線。對于素混凝土，混凝土耗能能力受溫度的影響可不予考慮，Sσ-ε基本維持在0.046MPa左右。1層CFRP約束時，Sσ-ε隨溫度升高略有降低趨勢，但降幅較小，Sσ-ε平均為0.455MPa；2層CFRP約束時，Sσ-ε僅在400℃時出現(xiàn)較大波動，但整體穩(wěn)定在0.901MPa左右。綜上分析，本文認為溫度不是影響CFRP約束混凝土耗能能力的主要因素。CFRP約束對于混凝土耗能能力有顯著影響，CFRP約束的強弱體現(xiàn)在CFRP層數(shù)上，外包CFRP布層數(shù)是影響混凝土耗能能力重要因素。外包1層CFRP布時，Sσ-ε是素混凝土的10倍左右；外包2層CFRP布時，為外包1層CFRP布時的2倍左右，顯然混凝土的耗能能力在CFRP約束的作用下有了明顯提高；但從外包2層CFRP布約束的混凝土相比外包1層CFRP布約束混凝土耗能能力的增幅和外包1層CFRP布約束混凝土耗能能力相比素混凝土的增幅來看，混凝土耗能能力隨著CFRP層數(shù)增加其增幅卻在變小。

表1 試驗結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Test results sheets試件編號抗壓強度Fe/MPa極限應變εe初始彈性模量E/GPa強度高溫衰減系數(shù)αT約束比fl/fCOCFRP增大系數(shù)αC模型計算所得抗壓強度Fp/MPa模型與實測抗壓強度比值Fp/Fe耗能能力指標Sσ-ε /MPaC-20-033.270.002 229.061.00—1.0033.271.000.052 6833.250.002 330.491.00—1.0033.251.000.052 90C-20-162.970.010 127.491.000.241.8961.220.970.507 9965.300.010423.671.000.241.9661.200.940.51284C-20-295.050.016 521.281.000.482.8689.180.941.128 7286.110.009 831.051.000.482.5989.161.040.652 08C-200-029.910.002 312.160.90—1.0029.911.000.031 7929.110.002 814.310.88—1.0029.111.000.044 25C-200-166.530.012 59.041.060.272.2257.870.870.554 0155.260.010 318.230.850.271.9057.061.030.454 24C-200-260.630.006 412.570.640.541.8285.821.420.244 5288.080.014 310.920.930.542.9585.020.970.822 66C-400-018.540.004 83.940.56—1.0018.541.000.049 5419.520.005 14.050.59—1.0019.521.000.052 89C-400-138.040.012 12.980.600.432.0546.491.220.232 6662.860.015 55.970.960.413.2247.470.760.595 21C-400-294.680.021 75.410.990.865.1174.450.791.150 3884.890.020 34.970.990.824.3575.430.890.979 63C-600-012.750.010 31.150.38—1.0012.751.000.044 006.970.008 61.090.21—1.006.971.000.035 98C-600-152.300.018 31.840.830.634.140.700.780.445 0636.160.020 71.010.551.155.1934.920.970.335 64C-600-269.770.027 22.200.731.265.4768.660.980.869 1664.240.023 82.250.752.309.2162.880.980.821 63 注:表1中試件編號里的“C”指混凝土,數(shù)字20、200、400和600分別代表對應的溫度,數(shù)字0、1、2對應著試件外包CFRP布的層數(shù);Fe、εe、Fp分別代表試驗實測的CFRP約束高溫后混凝土強度和極限應變、模型計算得到的CFRP約束高溫后混凝土強度;E是試件的初始彈性模量;αT和αC分別代表試件強度的高溫衰減系數(shù)和CFRP增大系數(shù);“Sσ-ε”表示應力-應變曲線與橫坐標軸圍成的面積作為衡量混凝土耗能能力的指標;fl/fCO代表約束比。

圖7 CFRP約束高溫后混凝土耗能能力-溫度圖Figure 7 Energy dissipation capacity curves of post-fire concrete confined by CFRP versus temperature

綜上可知，CFRP約束作用對于提升高溫后混凝土的軸壓力學性能具有積極意義。就抗壓強度而言，溫度軟化作用會削弱高溫后混凝土強度，而CFRP約束對混凝土強度具有強化作用，能提高其強度，兩者共同存在且后者的有利影響強于前者的不利影響，外包CFRP層數(shù)是決定CFRP約束對混凝土強度產(chǎn)生的強化作用強弱的重要因素，CFRP層數(shù)增加對混凝土強度的強化作用有積極意義。CFRP約束明顯提高了高溫后混凝土的變形能力和耗能能力?？傮w來說增加外包CFRP布層數(shù)是提升高溫后混凝土軸壓力學性能非常有效的方法。因此，通過對具有修復可行性的火災后混凝土結(jié)構(gòu)合理地外包CFRP布對其進行加固是科學可靠的。

3 CFRP約束高溫后混凝土強度計算模型

關(guān)于如何評估高溫后素混凝土強度的研究中，李衛(wèi)[9]、過鎮(zhèn)海[10]、余志武[11]等分別提出了高溫后混凝土抗壓強度衰減模型。LAM[4-5]等、TENG[6]等在試驗和數(shù)理統(tǒng)計的基礎上分別提出了常溫下計算FRP約束混凝土抗壓強度的模型。本文在以上學者研究成果的基礎上，利用本試驗的結(jié)果驗證出其中與試驗結(jié)果吻合最好的高溫后混凝土抗壓強度衰減模型和常溫時CFRP約束混凝土抗壓強度模型，并參考文獻[8]的假設即不考慮CFRP約束與高溫作用的相互影響給出能計算CFRP約束高溫后混凝土強度的計算模型，并與試驗結(jié)果進行對比。

圖8給出了高溫后混凝土抗壓強度衰減系數(shù)各模型值與試驗值比值的曲線。綜合比較后發(fā)現(xiàn)，余志武[14]模型與本試驗吻合最好，故根據(jù)余志武[11]模型得到高溫后素混凝土抗壓強度衰減系數(shù)αT為：

(1)

高溫后素混凝土抗壓強度：

fs(T)=αTfso

(2)

圖8 高溫后混凝土抗壓強度衰減系數(shù)模型值與試驗值比值圖Figure 8 Ratio curves between models and tests of post-fire concrete strength decrease factor

圖9給出了常溫下CFRP約束混凝土抗壓強度增大系數(shù)各模型值與試驗值比值的曲線。綜合來看，Teng等[6](2007)模型與本試驗吻合度較高，故根據(jù)Teng等[6](2007)模型得到常溫下CFRP約束混凝土抗壓強度增大系數(shù)αC為：

(3)

(4)

因此，在已經(jīng)獲得與試驗吻合最好的高溫后混凝土強度衰減模型和CFRP約束混凝土抗壓強度模型的前提下，基于前述假設得到CFRP約束高溫后混凝土抗壓強度增大系數(shù)αC(T)計算表達式為：

(5)

綜合以上表達式得到CFRP約束高溫后混凝土抗壓強度fCT的計算表達式為：

fCT=αC(T)fs(T)

(6)

圖9 常溫下抗壓強度增大系數(shù)模型值與試驗值比值圖Figure 9 Ratio curves between models and tests of strength increase factor under normal temperature

表1分別給出了CFRP約束高溫后混凝土抗壓強度試驗值和抗壓強度簡化模型的計算值，圖10將CFRP約束高溫后混凝土抗壓強度簡化模型計算值與試驗值的比值制作成隨溫度變化曲線。可見，1層CFRP約束時，簡化模型計算值與試驗值的比值隨溫度變化均接近且小于1，表明該模型在計算外包1層CFRP約束高溫后混凝土的抗壓強度時可靠且偏安全,2層CFRP約束時，該模型略高估了200℃時對應的抗壓強度，但總體來說簡化模型計算結(jié)果比較理想。

圖10 抗壓強度簡化模型計算值平均值與試驗值平均值的比值Figure 10 Ratio curves between simplified models and tests of concrete compressive strength

4 結(jié)論

對CFRP約束高溫后混凝土圓柱體軸壓力學性能進行試驗結(jié)果分析和模型分析后得出以下結(jié)論：

a.CFRP約束使混凝土破壞形態(tài)明顯改變，破壞時普遍是CFRP被拉斷并伴隨核心混凝土碎裂甚至爆裂，破壞時脆性極大。

b.高溫使CFRP約束混凝土的抗壓強度具有軟化效應使其大幅減小，而CFRP約束作用對抗壓強度產(chǎn)生強化效應使其顯著增大，兩者共同存在并以CFRP約束產(chǎn)生的強化效應為主；相同溫度情況，增加外包CFRP布層數(shù)明顯使混凝土抗壓強度增強。

c.升高溫度以及增加外包CFRP布層數(shù)均使混凝土極限應變增大，CFRP約束作用有利于提升高溫后混凝土的變形性能；CFRP約束高溫后混凝土的耗能能力基本與溫度無關(guān)，但CFRP約束作用對其耗能能力有著深遠影響，外包CFRP使得混凝土耗能能力顯著增強，增加外包CFRP的層數(shù)對于提高混凝土耗能能力有積極意義，但CFRP層數(shù)增加到一定數(shù)量后耗能能力的增幅逐漸變小。

d.在相關(guān)模型的基礎上以簡化假設為前提得到了與本試驗結(jié)果吻合良好的CFRP約束高溫后混凝土抗壓強度計算模型，該模型可供實際工程中評估CFRP約束火災后混凝土柱抗壓承載力參考。

e.外包CFRP布是修復加固混凝土結(jié)構(gòu)尤其是火災后混凝土結(jié)構(gòu)的有效方式，CFRP約束對于提升火災后混凝土結(jié)構(gòu)的力學性能具有積極意義。