1、FRP（Fiber reinforced polymer）具有轻质高强、耐腐蚀、施工方便等优越性. 但也存在费用高、线弹性脆断、模量强度比低、耐火性差等缺点,常用的 FRP 主要为碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP) 和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。FRP 的混合使用将会是一个新的研究方向, 如 CFRP 和 GFRP,从力学性能上看,CFRP 弹性模量更大,CFRP 约束混凝土柱承载力更高,GFRP 弹性模量较小,但 GFRP 约束混凝土柱延性更好;从使用费用上看,CFRP 较贵,GFRP 更便宜。因此,将 CFRP 和 GFRP 合理混合使用,既可发挥两者力
2、学性能的优势,又可节约费用。目前主要有 2 种应用方式:一是使用 FRP 布或板缠绕在混凝土柱外形成 FRP 布约束混凝土柱,这种技术主要用于结构柱的加固和修复, 二是先制成 FRP 管,再将混凝土注入其中,形成 FRP 管约束混凝土柱。FRP 布对矩形、方形混凝土柱的约束一般会在试件角部发生脆性断裂,试件承载力与拐角半径比成正比。FRP 管作为约束材料可以减少对钢筋的需求, 同时也是模具,因此可节约费用和缩短工期。使用中空钢筋混凝土柱可以降低混凝土用量和费用,中空钢筋混凝土柱在抵抗地震或其他侧向作用力时,易于形成塑性铰以耗散能量。FRP 管抗弯能力还远低于钢管, 这也局限了 FRP 管约束混
3、凝土长柱的应用 ,仿照钢管混凝土内壁加肋的做法,对 FRP 管内部加肋以提高抗弯、抗剪性能的研究还很少FRP 本身的各向异性FRP 近似弹性,不具有塑性,由其约束的混凝土的侧限压力随着轴压的增大而增大。FRP 约束混凝土柱的应力- 应变关系模型大致可以分为 2 类:设计模型和分析模型。设计模型大都是在应力平衡和变形协调条件基础上,对试验数据进行分析,将应力-应变关系曲线的弹性段和塑性段分别简化为抛物线段和直线段,提出由固定形式的表达式构成的模型22-27;分析模型主要对 FRP 约束混凝土柱的力学性能进行适当的理论分析,考虑 FRP 对混凝土约束的特性, 通过逐步增量的数值程序计算应力- 应变
4、关系。FRP 管承担的纵向荷载,一部分是直接施加的轴向力,另一部分是混凝土通过与 FRP 管之间的粘结传递给 FRP 管的荷载。模型对应力-应变关系曲线中的弹性段已能准确预测, 这是因为在这个阶段 FRP 对混凝土的约束尚未完全开始。应力-应变关系曲线中的塑性段有强化和软化之分, 对应力 -应变关系曲线中的塑性段研究则依赖于 FRP 对混凝土约束特性的了解以及试验的水平。由于 FRP 是近似弹性的,对于有硬化段或强化段的 FRP 约束混凝土柱,FRP 对混凝土的约束是有效的和完全的 ,极限状态时 FRP 的断裂是在比较充分地张拉后产生的,因此不论是在试验基础上提出的设计模型,还是理论推导得到的
5、分析模型都能较为准确地预测;相反,对有软化段或弱化段的 FRP 约束混凝土柱,FRP对混凝土的约束是非有效的和不完全的,极限状态时 FRP 的断裂往往是突然的,这与试验水平等因素有关,所报道的设计模型和分析模型却无法估计这些偶然因素的影响,因此均很难准确进行预测。循环加压、卸压对 FRP 约束圆形混凝土柱的应力-应变关系影响很小 ;对方形也是。由于 FRP约束混凝土柱轴向循环加压、卸压对残余应变和应力退化的累积尚且缺乏定量的分析,比较现有的轴向加压、卸压作用下的应力-应变模型, 多数是对卸载路径采用单一的假定 ,因而还无法准确预测加载历史的影响。FRP 的约束限制了混凝土的变形和水分的流失,
6、很大程度上减少了混凝土的徐变和干缩,混凝土和 FRP 之间应力的传递导致混凝土应力松弛, 进一步减少了其徐变。一般的 FRP 防火性能较差,主要是由于多数树脂在高温下会软化,在树脂达到软化温度时(通常为 70左右) 力学性能会大大降低,达到玻璃软化温度(通常为 300左右) 时性态就会发生转变。但在 FRP 的树脂材料中掺入阻燃剂, 可提高其抗火性能。经过修复的试件承载能力和延性得到提高,但不能完全恢复。用圆形、椭圆形 FRP 管分别约束方形、矩形混凝土柱, 在 FRP 管和混凝土之间的空隙注入膨胀水泥浆(图 3),水泥浆膨胀使 FRP 管受张拉,这种对原有横截面形状的修整有效地提高了柱的极限
7、应力和应变。所有数值模拟都基于一个假定:FRP 与混凝土粘结完好, 也就是说不考虑粘结-滑移,在建立模型时将模拟 FRP 与混凝土的单元截面交接处设定为共用节点。2004 年提出的一种新的 FRP-混凝土- 钢混合结构形式( 图 4),即内部钢管,外部 FRP 管,中间填充混凝土,这种新型组合结构柱也叫作 FRP-混凝土-钢双壁空心管柱,两管既可是矩形也可是圆形, 内管既可居中也可偏置, 外部 FRP 管主要用来约束混凝土和提高抗剪能力,当有需要时,中间中空部分也可填充混凝土,这种新型组合结构综合了 FRP、混凝土和钢 3 种材料的优势,使 FRP-混凝土-钢双壁空心管柱具有很好的结构和耐久性能。
