FRP鋼管再生混凝土長柱的軸壓力學性能測試方法與流程

2023-09-24 02:14:05

本發明涉及FRP鋼管再生混凝土，具體涉及FRP鋼管再生混凝土長柱的軸壓力學性能測試方法。

背景技術：

目前，FRP鋼管再生混凝土是在鋼管內填充再生混凝土,外部纏繞FRP片材而形成的組合結構,其工作機理是利用外部套管(筒)的緊箍作用使核心的再生混凝土處於三向受壓狀態,以提高其軸向承載能力。在軸壓過程中，荷載初期由於再生混凝土的彈性模量小於鋼管的彈性模量，鋼管和核心的再生混凝土共同承受荷載，不發生相互的擠壓，隨著荷載的繼續增大核心的再生混凝土開始產生微裂縫，核心的再生混凝土對鋼管產生擠壓，鋼管有承受單獨的軸壓開始專變為軸向壓力應和徑向壓應力共同作用，荷載繼續增大，鋼管的環向應變繼續增大，外圍的FRP開始對鋼管產生環向的拉應力，此時鋼管處於軸向壓應力、徑向壓應力，環向拉應力的三軸受力形態，再生混凝土也處於三向受力的形態，FRP不考慮其產生軸向受壓，只產生環向的受拉狀態，而FRP鋼管再生混凝土結構是由FRP、鋼、再生混凝土三種非均勻、非線性的材料組成,使其受力分析成了研究難題。

技術實現要素：

本發明針對上述問題，提供了FRP鋼管再生混凝土長柱的軸壓力學性能測試方法。

本發明採用的技術方案是：FRP鋼管再生混凝土長柱的軸壓力學性能測試方法，包括以下步驟：

S1，試驗的基本材料包括：FRP加固材料、環氧樹脂AB膠、無縫鋼管、廢棄的混凝土、PC普通矽酸鹽水泥、砂、水、混凝土試塊製作的鋼模，以及在試件加工時的輔助工具；通過設定參數，粗骨料的取代率，FRP的包裹層數，FRP的包裹方式；

S2，加載設備和試驗過程，試驗採用300噸微機控制電液伺服壓力機進行加載,所有試件均為軸心受壓；壓力機實現軟體控制系統與計算機技術的結合,試驗時能採用力控制、位移控制、以及力-位移混合控制的方式進行加載；

S3，試驗過程：試驗過程分為預壓對中和加壓兩個過程；所有試件在加載前都進行對中,壓力機底板有一個幾何中心圓,進行預壓對中時,將試件放入這個圓內；並對引線進行編號；加載過程中,採集儀上鋼管四個縱向應變片的數值變化,如果四個應變片數值接近且在荷載達到極限荷載的10％時還是相差不大,則認為試件是軸心受壓；

S4，採集的數據為：

鋼管表面的縱向應變、橫向應變數據；

FRP表面的環向應變數據；

FRP鋼管再生混凝土的軸壓荷載與位移數據。

本發明的優點：

本發明的方法，通過設定參數，粗骨料的取代率，FRP的包裹層數，FRP的包裹方式，長細比這四個參數對FRP鋼管再生混凝土長柱進行測試，荷載—位移曲線的精確結果，解決了FRP鋼管再生混凝土受力分析研究難題的問題。

本發明是通過與工程直接相關的受力構件設定參數，這樣更能直接的得出科學的數據，運用指導實踐活動；

本發明方法中的FRP鋼管再生混凝土長柱利用高強度的FRP新型材料不僅可以改變鋼材的耐火性差，易腐蝕的特點外還可以對構件的極限承載力有一定的提高，改變構件的延性，使構件的承載力更加提高。

除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本發明還有其它的目的、特徵和優點。下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。

附圖說明

構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。

圖1是本發明的FRP鋼管再生混凝土長柱的軸壓力學性能測試方法流程圖；

圖2是FRP層在鋼管外部的間隔包裹的結構示意圖；

圖3是FRP層在鋼管外部的連續包裹的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

一種FRP鋼管再生混凝土長柱，包括FRP層、無縫鋼管、天然的卵石或碎石、再生混凝土、PC普通矽酸鹽水泥、粗砂、水；其中的PC普通矽酸鹽水泥、粗砂、水的比例為500:479:190；其中的天然的卵石或碎石、再生混凝土含量分別為：1231、0；或615.5、615.5；所述混凝土設置在鋼管內部；所述FRP材料為1-3層包裹在鋼管外部；FRP層在鋼管外部的包裹方式為間隔包裹或連續包裹。

所述天然的卵石或碎石、再生混凝土、PC普通矽酸鹽水泥、粗砂、水製成的混凝土為經人工破碎粒徑為2—4mm的顆粒。

參考圖1，如圖1所示的FRP鋼管再生混凝土長柱的軸壓力學性能測試方法，包括以下步驟：

S1，試驗的基本材料包括：FRP加固材料、環氧樹脂AB膠、無縫鋼管、廢棄的混凝土、PC普通矽酸鹽水泥、砂、水、混凝土試塊製作的鋼模，以及在試件加工時的輔助工具；通過設定參數，粗骨料的取代率，FRP的包裹層數，FRP的包裹方式；

S2，加載設備和試驗過程，試驗採用300噸微機控制電液伺服壓力機進行加載,所有試件均為軸心受壓；壓力機實現軟體控制系統與計算機技術的結合,試驗時能採用力控制、位移控制、以及力-位移混合控制的方式進行加載；

S3，試驗過程：試驗過程分為預壓對中和加壓兩個過程；所有試件在加載前都進行對中,壓力機底板有一個幾何中心圓,進行預壓對中時,將試件放入這個圓內；並對引線進行編號；加載過程中,採集儀上鋼管四個縱向應變片的數值變化,如果四個應變片數值接近且在荷載達到極限荷載的10％時還是相差不大,則認為試件是軸心受壓；

S4，採集的數據為：

鋼管表面的縱向應變、橫向應變數據；

FRP表面的環向應變數據；

FRP鋼管再生混凝土的軸壓荷載與位移數據。

試驗概況：

幾何特性：在此試件設計中分析了不同截面的受力方式，FRP這種平面外剛度為零，受拉強度高的材料，在方鋼管中截面中部的FRP布在柱邊中部區域會產生彎曲，由於FRP的抗彎剛度極小，所以對核心區的鋼管和混凝土的約束力很小，而在角部區域相互垂直的FRP布的約束力會對核心的鋼管和混凝土形成了強力的約束，使得整個區域分為有效約束區和無效約束區。方形截面柱的倒角尺寸對FRP布的約束作用明顯，半徑過小的倒角會加重FRP布在稜角處的應力集中，從而降低其約束力，但在圓形的界面內受力比較均勻，故本次試驗選擇圓形的界面進行驗證。

FRP的包裹方式：參考圖圖2和圖3，如圖2和圖3所示，FRP的包裹方式分為連續包裹和間隔包裹。連續包裹的鋼管再生混凝土受力比較好，能在鋼管混凝土的極限荷載出現後的曲線內，使得整個曲線可能成平緩的上升的趨勢，曲線下降時曲線的斜率較大，且時間持續較長。間隔包裹的鋼管再生混凝土在FRP包裹處收到約束力，沒有包裹的地方沒有收到約束力，因此在極限荷載出現後對鋼管再生混凝土的約束曲線現象沒有明顯的增加，同時，曲線下降的斜率小。

FRP的包裹層數：FRP的包裹層數影響鋼管再生混凝土的承載力大小，在軸壓試驗中很明顯的表示出來。包裹層數越多則FRP鋼管再生混凝土的約束力越大則承載力增加明顯(假定FRP布與鋼管沒有滑移)，曲線有明顯的上升區段，且在曲線下降時的斜率較大，時間持續時間久。包裹層數少約束力小則承載力比較低，在軸壓試驗是曲線有上升但上昇平緩，在曲線下降區段時斜率比較小，時間持續段。

再生混凝土的取代率：混凝土作為再生混凝土的粗骨料有多種因素影響再生混凝土的性能：

(1)強度：再生骨料是將已破壞的混凝土經破碎加工而獲得,在受力過程中己存在一些裂縫,導致骨料強度較低,由於破碎而得的混凝土碎塊的成分十分複雜,通常會含有設計強度等級高低不同的混凝土成分,而且其結構表面在自然界中己經發生了碳化,或者由於經過了其它腐蝕侵蝕後變得酥鬆,導致再生骨料的強度較低而且情況複雜，隨著再生骨料的摻量增大, 混凝土的抗壓強度降低,再生粗骨料的摻入使得降低現象尤為突出,因此在配製再生混凝土時應考慮再生骨料摻入量對混凝土強度的影響。

再生混凝土的取代率：混凝土作為再生混凝土的粗骨料有多種因素影響再生混凝土的性能：

(1)強度：再生骨料是將已破壞的混凝土經破碎加工而獲得,在受力過程中己存在一些裂縫,導致骨料強度較低,由於破碎而得的混凝土碎塊的成分十分複雜,通常會含有設計強度等級高低不同的混凝土成分,而且其結構表面在自然界中己經發生了碳化,或者由於經過了其它腐蝕侵蝕後變得酥鬆,導致再生骨料的強度較低而且情況複雜，隨著再生骨料的摻量增大,混凝土的抗壓強度降低,再生粗骨料的摻入使得降低現象尤為突出,因此在配製再生混凝土時應考慮再生骨料摻入量對混凝土強度的影響。

(2)收縮率：再生骨料的組成包括天然骨料和附著其上的硬化砂漿,在破碎過程中內部往往會產生大量具有一定尺寸的裂紋,從而增大吸水率，吸水率高則必然導致失水後混凝土收縮增大,徐變增大。

(3)耐久性：通過對再生混凝土的性能試驗研究,表明再生混凝土的耐久性較天然骨料混凝土的要差。由於再生骨料孔隙率較高,吸水率大,再生混凝土抗滲性能較相同配合比的普通混凝土差,氯離子的滲透性也差。再生混凝土的抗碳化性能略差於普通混凝土,原因是再生混凝土的孔隙率高,抗滲性差。

(4)耐久性：混凝土的耐久性取決於其強度和硬度,尤其是面層混凝土的強度和硬度。所以隨著再生骨料取代率的增加,其耐磨損深度也增加。

構件的長細比(L/D)：當構件的長度一定，增大構件的界面尺寸(相當於減小了構件的長細比)直接提高的構件的截面強度；當構件的截面尺寸一定，改變構件的長度直接影響到構件在受壓是失穩狀況，構件的長細比越大，構件的撓度越大構件越易失穩。

通過設定參數，粗骨料的取代率，FRP的包裹層數，FRP的包裹方式，長細比這四個參數對構件設計如下表：

表一：FRP鋼管再生混凝土長柱的設計

表二：C30再生混凝土實驗配合比參數表，其中水灰比為0.38

構件的破壞形態及現象的描述：

FC-1：

剛開始沒有明顯的現象，有吱吱的鋼管和樹脂剝開的吱吱的聲音發出，隨著荷載的繼續增大，當力為448kN，鋼管下部開始外鼓，碳纖維被剝開，力462kN，中部開始外鼓，碳纖維被拉斷，外漏鋼管，碳纖維布向兩端延伸，屈曲現象進一步明顯，力286kN，鋼管呈「C」型，屈曲現象進一步明顯，此時FRP鋼管再生混凝土柱的承載能力已經打幅度的降低，承載力急劇的下降。

FC-2：

隨著荷載的繼續增大，在軸力為410kN，上部22cm處開始外鼓，力411kN，上部22cm處繼續外鼓，且發出一聲巨響，屈曲現象進一步明顯，力361kN，下部14cm處外鼓，且發出一聲巨響，碳纖維被拉斷，鋼管呈「S」型，屈曲現象更加明顯，急劇下降。

FC-3：

隨著荷載的增大，在荷載為312kN，中部開始外鼓，並有吱吱聲音，力270kN，上部20cm處開始外鼓，碳纖維被拉斷，屈曲現象進一步明顯，力254kN，碳纖維布被剝開，屈曲現象更加明顯，力338kN，上部20cm處外鼓約1cm並有鋼管破裂的聲音，屈曲現象進一步明顯，力328kN，上部10cm處碳纖維布被拉斷，鋼管破裂，有一聲巨響發出，砼外漏，鋼管呈「C」型，力急劇下降。

FC-4：

隨著荷載的繼續增大，力451kN，上部20cm處開始外鼓，碳纖維被拉毛，有鋼管破裂的聲音，力463kN，上部20cm處碳纖維被拉斷，屈曲現象進一步明顯，力460kN，中部開始外鼓，屈曲現象進一步明顯，力413kN，上部開始外鼓，此時整個鋼管呈「C」型，中部的碳纖維布被剝開，下部開始外鼓，屈曲現象進一步明顯。

FC-5：

開始時沒有明顯的現象，隨著荷載的繼續增大，當力為222kN，中部開始外鼓，力178kN，有鋼管開裂的聲音，中部的屈曲現象更加明顯，力130kN，鋼管呈「C」型，有吱吱響聲，中部的屈曲現象更加明顯，整個FRP鋼管再生混凝土柱承載力明顯的降低。

FC-6：

剛開始時沒有明顯的現象，隨著荷載的繼續增大，當力為72kN，上部約15cm處開始外鼓，當力80kN，下部約15cm處開始外鼓,上部的屈曲現象進一步明顯，荷載繼續增到到94kN，下部外鼓約1cm，此時整個柱子的承載力已經降低，荷載開始下降。

FC-7：

剛開始時沒有明顯的現象，隨著荷載的繼續增大，軸力為225kN，中部開始外鼓，並有聲音鋼管與樹脂剝開的吱吱聲，荷載繼續增大，中部的屈曲現象進一步的明顯，此時在中部外鼓的地方，碳纖維被多出拉毛有剝開的現象，荷載繼續增大，中部的屈曲現象更加的明顯，直到最後整個柱子呈「C」型，承載力降低。

FC-8：

荷載繼續繼續增大，當力為56kN，上部12cm處開始外鼓，力71kN，上部12cm處繼續外鼓，並發出吱吱的聲音，力90kN，上部20cm處開始外鼓，屈曲現象更加明顯，力108kN，中部的碳纖維布被剝開，並且有吱，曲現象更加明顯，力166kN，上部12cm和20cm處外鼓約1cm，有鋼管破裂的聲音，屈曲現象進一步明顯，力188kN，下部約204cm處開始外鼓，上部的屈曲現象進一步明顯，力206kN，中部開始外鼓，碳纖維被拉毛，屈曲現象進一步明顯，整個柱子已經發生變形，承載力開始下降。

FC-9：

隨著荷載的繼續增大，當力為62kN，上部30cm處開始外鼓，力126kN，上部30cm處繼續外鼓,中上部的第二帶碳纖維布被拉毛，力112kN，上部30cm處外鼓約1cm，屈曲現象進一步明顯，力51kN，整鋼管呈「C」型，屈曲現象進一步明顯，此時整個柱子發生變形，承載力開始降低。

試件的影響因素的荷載—位移

通過對構件的荷載—位移曲線的分析得出試件受力時的影響因素，構件在不同階段的受力情況，構件在不同時期時材料的受力先後。

粗骨料取代率的影響

FC-1(取代率0％)的最大承載力為499KN,FC-2(取代率50％)的最大承載力為409KN，FC-3(取代率100％)的最大承載力為338KN,得出在FRP包裹層數、長細比、包裹方式相同時，構件的承載力隨著粗骨料取代率的增大而減小，但在後期的承載力中取代率大的構件的承載力並沒有馬上下降，而是有一定的延性，說明再生混凝土並不像普通的混凝土是脆性材料，而是有一定的延性的。

FRP包裹層數的影響

FC-3(全帶一層)最大承載力為338KN，FC-6(未加固)最大承載力為116KN，FC-7(全帶2層)最大承載力為390KN，得出在粗骨料取代率，包裹方式，長細比相同時，構件的承載力隨著FRP包裹層數的增多而增大，在構件後期鋼管屈服時FRP對鋼管有很好的約束力，使得中部的再生混凝土受到雙重的約束作用，大大提高了構件的承載力。

FRP包裹方式的影響

FC-3(一層全帶)的最大承載力為338KN，FC-6(未加固)最大承載力為106KN，FC-8(一層三條帶)最大承載力為206KN，FC-9(一層四條帶)最大的承載力為119KN，得出在粗骨料取代率、包裹層數、長細比相同時構件的承載力隨著包裹方式的不同而不同，沒有加固的構件的承載力明顯低於加固的構件，當構件在後期屈服以後不同的包裹方式顯得尤為重要.FC-8的前期承載力略高於FC-9構件，但在後期鋼管屈服以後，FC-9的承載力並沒有急劇的下降而是在位移增加的很快，而位移緩慢的改變。

長細比的影響

長細比的影響的曲線的規律一致，FC-3(L/D＝12)的最大承載力為338KN，FC-4(L/D＝10)最大承載力為468KN，FC-5(L/D-14)最大承載力為262KN，得出在粗骨料取代率、包裹層數、包裹方式相同時，長細比越大構件的承載力越小，當受力截面一致時，構件的長度會影響構件在受力的擾度變化，長度越大則構件在軸壓過程中越易變形，軸壓時會受到彎矩的影響，此時是一個力的組合變形。

荷載—位移曲線結論：

荷載—應變曲線反應了構件在荷載作用下局部變形規律

(1)彈性階段，此時的構件的曲線斜率是粗骨料的取代率越高曲線的斜率越大，FRP包裹的層數越多曲線的斜率越大，FRP的全部包裹的斜率大於部分包裹的方式。

(2)彈塑性階段，此時長柱的長細比比較大，在鋼管開始屈服時，構件先從中部開始屈曲變形，這也是長柱容易放生失穩的原因。從曲線中得出此時應變增加迅速，荷載增加緩慢，橫向應變大幅度的提高。曲線的斜率是隨著粗骨料的取代率增大、包裹層數增多，包裹全部的方式而增大。

(3)塑性強化階段，此時的應變增大而荷載不增大或者應變增大，荷載波動，進入塑性強化階段後，鋼管已經屈服，核心的再生混凝土的裂縫變大，構件的橫向應變增大，使得FRP的約束效應增強，曲線出現了第二峰值。

(4)FRP斷裂，構件破壞階段，橫向應變的增大使得FRP發生斷裂，FRP斷裂之後鋼管完全的屈服，構件破壞以後力會急劇的下降。

本發明的方法，通過設定參數，粗骨料的取代率，FRP的包裹層數，FRP的包裹方式，長細比這四個參數對FRP鋼管再生混凝土長柱進行測試，荷載—位移曲線的精確結果，解決了FRP鋼管再生混凝土受力分析研究難題的問題。

本發明是通過與工程直接相關的受力構件設定參數，這樣更能直接的得出科學的數據，運用指導實踐活動；

本發明方法中的FRP鋼管再生混凝土長柱利用高強度的FRP新型材料不僅可以改變鋼材的耐火性差，易腐蝕的特點外還可以對構件的極限承載力有一定的提高，改變構件的延性，使構件的承載力更加提高。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。