CFRP约束轴压预压混凝土的强度预测
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【摘 要】本文利用预压试件模拟在役结构混凝土构件，并对其用 cfrp约束，而后通过试验检验试件的受力性能，与此同时对试件的强度及其影响因素进行了分析。参考已有强度模型，并考虑本次试件的特殊影响因素轴压比 的影响，对已有强度模型进行了改进，提出了CFRP约束轴压预压混凝土的强度预测模型，以为结构构件的加固设计提供参考。
【关键词】碳纤维；混凝土 加固 强度预测 预压
引 言
我国处于地震多发区，经历过多次大地震的考验，特别是近年来地壳运动进入活跃时期，全球范围内大震频发，给人民的生命财产带来巨大损失，同时大地震的到来也给建筑结构造成了不同程度的损害，因此如何对受损结构进行修复加固成为人们普遍关注的课题。用FRP裹覆的方式对结构构件加固成为结构加固领域应用较为普遍的形式。然而已有研究多停留在实验室对普通混凝土试件（不受荷）的试验方面，而工程中要对结构混凝土构件进行加固，即在构件服役的情况下对其进行加固，鉴于此，本文提出了一种对预压混凝土试件进行加固的试验方式来模拟结构混凝土加固，同时进行了试件的轴压试验。试验后对试验数据进行了处理，提出了CFRP加固预压混凝土的强度预测模型。
1试验方法
1.1预压试件制作
本文中的混凝土试件采用C15、C20、C25、C30共4个强度等级。试件尺寸为150×150×300mm。预压试件的制作利用后张法预应力混凝土的原理：即在成型过程中在试件正中留置直径为32mm的圆孔，待混凝土硬化后穿入直径为30mm的圆钢杆，再通过装置对钢杆进行张拉，张拉到控制应力而后对钢杆进行锚固，利用钢杆的回缩趋势反加到混凝土试件上即做好预压试件。本次试验采用了0.4、0.5、0.6共3个轴压比，即对不同试件预压力分别加到 、 、 。同时预加力过程中还考虑了钢杆回缩、锚具变形等可能引起预应力损失，进行了超张拉。
1.2预压试件加固
试件预压完成后放置1天而后对试件进行加固。本试验所用碳纤维片材及树脂材料均符合CECS146：2003的要求。试件的加固采用全裹覆的形式进行。为防止应力集中对试件的转角处倒角，倒角半径20mm。纤维布的粘贴也按照CECS146：2003的规定进行。
1.3试验装置及加载过程
试件制作完毕在其表面不同位置粘贴应变片，应变片的布置如图1所示。试验加载装置采用静态液压加载设备系统。为了准确地测得应力——应变曲线的下降段，试验中采用主千斤顶加载，两个辅千斤顶作为刚性元件，以防下降过程中试件突然压溃。
试验数据利用静态电阻应变仪与电脑联机系统采集，采集时间间隔为1s。试验中分别用3个千斤顶分别通过3个荷载传感器与应变仪连接，从而可以得到3个千斤顶的力的数值。除此以外试验中还记录了各应变片的应变以及两个机电百分表所量测的试件竖向位移值。
2试件破坏形态
待试件准备好之后，即可加载。试验过程中加载速度控制在0.3～0.5N/mm2左右。加载过程中，初期纤维布的应变增长缓慢。当加载到试件横截面应力大约为 时，试件内部开始发出“噼啪”的响声，随后可以在试件表面看到白色痕迹的树脂裂纹。在之后的过程中试件内部的“噼啪”声不断，意味着混凝土内部的裂纹逐渐增多并不断开展。最终随着一声爆炸般的巨响纤维布断裂，加载过程结束。
加载结束之后观察可见，试件的破坏位置均是出现在试件角部，断裂处纤维布纤维拉成白丝状。如此可见，虽然对试件进行了倒角处理，角部还是存在应力集中。拨开纤维布发现内部混凝土基本压酥。
3强度影响因素分析
对于CFRP约束混凝土的强度分析均是采用等效圆柱[1]的方式进行。已有研究[2～4]表明：影响CFRP约束混凝土的强度的因素包括CFRP性能，倒角半径、混凝土强度、截面形状及尺寸、FRP套箍对等效圆柱提供的有效约束应力 。而对于本文的预压混凝土试件CFRP约束后的强度，预加轴压比的影响显得尤为关键。
根据试验数据本文作出了CFRP约束预压混凝土强度 、未约束试件强度 间比值 ，与预加轴压比B之间的散点图如图2所示。
由上图可看出B对 的影响近乎直线关系。
4 CFRP约束预压混凝土的强度预测
4.1已有强度模型
Lam and Teng 2002a[1]提出将FRP约束圆柱的强度模型中约束应力用等效约束应力来代替，以此作为FRP约束矩形混凝土柱的强度模型： （1）
式中：
、 ——约束、无约束混凝土的抗压强度。
——约束有效性系数。
——形状系数。
方形截面：
——等效约束应力。
方形截面：
除此以外，其他研究人员也先后提出了一些模型：如文献[2]和[3]。但是这些研究均针对零受力的试件进行。
4.2本文强度模型
对于本次试验中单一截面尺寸、相同加固量但有预压力的试件，本文研究了新的强度预测模型的提出方法：考虑预加轴压比 的影响，对上述Lam and Teng 2002a模型进行改进。
从（1）式可看出： 与 之间基本存在线性关系。由图2可以看出B对 的影响也近乎直线关系。因此本文对模型（1）进行了线性化处理，并引入了B的影响，考虑B对 的线性影响直接把B作为线性化方程里的一个自变量。线性化以后的方程如：
其中：
如此处理后利用多元线性回归理论，根据本文试验数据可得出多元回归方程的均值方程：
即，CFRP约束预压混凝土的强度预测模型为：
此处所谓均值方程：即由此式得到的 的估计值 为其期望值，其对应的保证率为50%。计算还知，上述回归方程的相关系数 。根据此回归方程计算所得试件的强度比 的估计值 见表1，进而可以去求得CFRP约束预压混凝土的强度预测值 。
除此均值方程以外，考虑结构构件的加固设计要有一定的可靠性，本文还作出了具有95%保证率的 的下限方程：
此下限方程可作为工程加固设计的参考。
结 语
针对结构混凝土构件的在役加固，本文采用了用预压混凝土模拟结构混凝土构件，对其进行CFRP约束并考查其受力性能。通过试验数据的分析、整理可得到以下结论：
（1）预加轴压比对加固后混凝土的强度的影响是显而易见的；
（2）在已有模型基础之上考虑轴压比的影响提出了CFRP约束预压混凝土的强度预测模型。
虽然如此，本文的研究仅是对预压混凝土强度的初步研究。对于考虑更多因素：加固量，截面形状、尺寸影响甚至配筋等更多因素影响且具有更大通用性的强度模型的提出还有待后续大量的试验工作。另外本试验所用试件仍为试验室标养试件，同结构混凝土还存在一定的差异，模型的优劣还需要大量试验数据的验证，因此后续的研究工作还有很多。