预应力CFRP布加固低强度混凝土方柱的力学性能

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预应力CFRP布加固低强度混凝土方柱的
力学性能
程东辉，于雁南，叶旭
(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 15O040)
摘要：为了研究预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)布加固低强度混凝土轴心受压柱的力学性能，
按截面配筋率不同设计制作了3组12根混凝土方形截面柱，混凝土强度均为C20，每组包括3根
利用预应力CFRP布加固的混凝土柱和1根未加固的普通混凝土柱。通过对每组柱的静载试验，
得到了试验柱极限承载力、轴向位移等试验数据，并利用有限元软件ANSYS建立了分析模型，对
预应力CFRP布加固低强度混凝土柱进行了研究。结果表明：预应力CFRP布加固的混凝土柱在
纵向受力钢筋屈服后，预应力CFRP布对混凝土的环向预压作用能够明显提高加固柱的极限承栽
力，且承载力提高幅度受截面配筋率及CFRP布张拉控制应力影响；对于配筋率较低的混凝土柱，
利用预应力CFRP布加固后柱的承载力提高幅度随CFRP布预拉应力的提高而增大；同时能够明
显提高混凝土的极限压应变，增大加固柱的轴向变形；采用预应力CFRP布加固技术能够使CFRP
布较早地参与受力，充分发挥其高强度特性。
关键词：预应力碳纤维增强复合材料布；加固；低强度混凝土方柱；力学性能；配筋率
中图分类号：TU398．1 文献标志码：A
M echanical Properties of Low Strength Concrete Square—columns
Strengthened with Prestressed CFRP Sheets
CH ENG Dong—hui YU Yan—nan，YE Xu
(School of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China)
Abstract：In order to study the mechanical properties of reinforced concrete columns strengthened
with prestressed carbon fiber reinforced polymer(CFRP)sheets under axial compression，three
groups of concrete columns，total of 1 2，were made according to different reinforcement ratios，
and the concrete strength was C20． In each group，there were 3 reinforced concrete columns
strengthened with prestressed CFRP sheets and 1 reinforced concrete column without being
strengthened．The data such as ultimate bearing capacity and axial displacement were obtained
from the static load test．The analysis model was established by using finite element software
ANSYS and the low strength concrete columns strengthened with prestressed CFRP sheets were
studied．The results show that the prestressed CFRP sheets of the reinforced concrete columns
which provide the hoop stress to concrete can obviously improve the ultimate bearing capacity of
reinforced columns after longitudinal reinforcements yield． M oreover， the improvement is
influenced by reinforcement ratio and prestress of CFRP sheets．W hen reinforcement ratio of the
收稿日期：2012—11-08
基金项目：国家自然科学基金重大研究计划项目(90915003)；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项El(2O12RFXXS111)
作者简介：程东辉(1971一)，男，黑龙江哈尔滨人，教授，工学博士，E mail：chengdonghui20O0@126．corn。
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26 建筑科学与工程学报 2013丘
strengthened column is lower，the improvement of reinforced concrete columns is higher with the
increasing prestress of CFRP sheets．W hat’S more，the columns strengthened with prestressed
CFRP sheets can improve the ultimate compression strain of concrete， and increase axial
deformation of the strengthened column；using the prestressed CFRP strengthening technique can
make that CFRP sheets participate in force earlier and make effectively use of high strength．
Key words：prestressed carbon fiber reinforced polymer sheet；strengthening；low strength con—
crete square—column；m echanica1 property；reinforcement ratio
0 引言
碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced
Polymer，CFRP)布具有抗拉强度高、质量轻、耐腐
蚀、施工方便、施工质量易于保证等优点，在各国广
泛应用于钢筋混凝土结构加固领域。。为充分发
挥CFRP布高强度的特点，解决普通CFRP布加固
混凝土构件存在的应力滞后问题，对CFRP布进行
预张拉，然后对混凝土构件进行粘贴加固是行之有
效的途径。各国对预应力CFRP布加固混凝土结
构的研究证明：利用预应力CFRP布加固可以明显
提高混凝土结构的开裂荷载、纵向受力钢筋屈服时
的荷载和构件的极限承载力；显著提高构件的刚度，
减少变形；有效抑制裂缝的形成、开展，明显改善结
构的工作性能；使CFRP布由被动受力转变为主动
受力。
为进一步研究CFRP布加固混凝土柱受压性
能，笔者在试验的基础上利用有限元软件ANSYS
对预应力CFRP布加固低强度混凝土柱的轴心受
压力学性能进行了研究。
1 试验概况
1．1 试件设计
根据截面配筋的不同设计制作3组共计12根
方形截面柱试件，混凝土设计强度均为C20。每组
试件中选1根普通钢筋混凝土柱作为对比柱，其余
3根利用预应力CFRP 布加固。柱截面尺寸为
200 mm×200 mm，柱高1 000 mm，试件截面尺寸
及配筋如图1所示，试件配筋率及CFRP布张拉控
制应力如表1所示。
试验中采用日本东丽(TORAYCA)公司生产
的CFRP布，该CFRP布为单向纤维，由高强度
CFRP束组成，每束碳纤维的丝数规格为18 K；
CFRP布单位面积质量为200 g，其力学性能指标见
表2。胶粘剂选用亨斯特先进化工材料有限公司生
产的双酚A改性环氧树脂和配套的改性胺类固化
(a) 试件立面
1．至QQ．1
(d) 第1II组截面
图1 试件尺寸及配筋(单位：mm)
Fig．1 Dimensions and Reinforcements of
Specimens(Unit：mm)
表1 试件配筋率及CFRP布张拉控制应力
Tab．1 Reinforcement Ratios of Specimens and
Prestress of CFRP Sheets
试件分组试件编号配筋率／控制应力／MPa
DBZ1 1．1 3 O
YJGZ卜A 1．1 3 200
第1组
YJGZ1一B 1．13 5OO
YJGZ1一C 1．13 800
DBZ2 2．01 O
YJGZ2 A 2．01 2OO
第Ⅱ组
YJGZ2一B 2．01 5OO
YJGZ2 C 2．01 8OO
DBZ3 3．14 O
YJGZ3 A 3．14 200
第Ⅲ组
YJGZ3一B 3．14 500
YJGZ3一C 3．14 8OO
注：DBZ表不对比柱；YJGZ表不琐应力加崮柱，其后数字、字母
分别表示配筋率水平和控制应力水平，如YJGZ1 A表示加
固柱的配筋率为第1级，控制应力为第l级。
剂，二者按4：1比例配制而成，其力学性能指标见
表3。混凝土轴心抗压强度实测值为13．2 MPa，试
验选用的钢筋力学性能指标实测值见