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FRP约束混凝土的轴向压缩行为：实验测试数据库和面向设计的新模型

摘 要

在过去的二十年中进行了大量的实验研究，以了解FRP约束混凝土柱的性能。本文提供了一个全面的测试数据库，该数据库由文献中公开的832个圆形FRP约束混凝土标本的轴向压缩测试结果构成。该数据库是通过对1991年至2013年中发表的253项实验研究中的3042项测试结果进行广泛回顾而汇编而成的。使用精心选择的选择标准来确定数据库的结果是否合适，以确保数据库的可靠性。该数据库将FRP约束混凝土的可靠测试结果汇总在一起，形成一个统一的框架，以供将来参考。对数据库中报告的测试结果的仔细检查导致对重要参数对FRP约束混凝土性能的影响产生了许多重要观察结果。本文的最后部分介绍了一种新的面向设计的模型，该模型用于量化这些观察结果。结果表明，所提出模型的预测结果与试验结果非常吻合，与现有模型相比，该模型对FRP约束混凝土的最终条件提供了改进的预测。

介绍

在过去的二十年中，FRP约束混凝土的轴向压缩性能受到了广泛的关注，现在人们已经知道，用纤维增强聚合物（FRP）复合材料约束混凝土可以大大增强混凝土的强度和可变形性。大量的实验研究已经在FRP约束的混凝土上产生了3000多个测试结果，并导致开发了90多个轴向应力轴向应变模型，Backlogging等人最近对其中的88个进行了评估。[1]。从Backlogging等人报告的评估结果中可以明显看出。[1]当使用参数范围远大于开发这些模型的数据库的大型测试数据库进行评估时，现有模型的大部分性能都会受到影响。这些观察结果清楚地表明，需要使用广泛而可靠的FRP约束混凝土试验测试数据库来开发更高精度的模型。

在本文中，提出了一个精心准备的圆形FRP约束混凝土标本的数据库，该数据库在单调单轴压缩下进行了测试。该数据库是通过对3042个测试结果进行分类的文献的广泛回顾而建立的。

2.实验测试数据库的建设

2.1.以前的数据库

由于FRP约束混凝土的行为固有的复杂性，因此测试数据库在评估模型性能方面可作为至关重要的验证工具。认识到系统地收集和分类现有测试结果的重要性已导致许多先前的尝试来开发用于FRP约束混凝土的测试数据库。这些先前数据库的所有相关详细信息汇总在表1中。Lam和Deng [2,3]，D Lorentz和Stepfathers [4]和Bilby等人报道了早期数据库。[5]是广泛的，并包括了大多数实验数据，具有足够的细节，这些细节可以在数据库发布时获得。最近，Saturday等人。[6]建立了碳纤维玻璃纤维约束混凝土标本的数据库，Realization和Napoleon [7]报告了碳纤维和玻璃纤维玻璃包裹的标本的相当大的数据库。但是，对文献的全面审查表明，表2中汇总的大量当前可用的测试结果未包含在任何现有数据库中。

2.2.新数据库的选择标准

使用仔细建立的选择标准评估结果对数据库的适用性，以确保测试数据的可靠性和一致性。这样就形成了一个包含832个数据集的最终数据库，这使其成为迄今为止文献中最全面的数据库。测试结果包含在此

表2汇总并在表3-7中列出的数据库满足以下要求：

（1）数据库中仅包含具有单向纤维且沿圆周方向定向的标本。

（2）不包括采用横向和/或纵向钢或内部FRP增强的标本。

（3）仅包括限制在连续FRP夹套内的标本。不包括部分包裹的标本。

（4）从数据库中排除了高径比（H / D）大于3的标本，以消除标本细长的影响。

（5）排除了无侧限混凝土抗压强度大于55 M Pa的试样，以将数据库限制为仅普通强度混凝土。

（6）仅包括在最终条件下因FRP破裂而失效的标本。排除了由于其他类型的失效而导致的过早失效的标本，例如FRP外壳脱粘或由于偏心率过大而导致的过早失效。

（7）排除由于测试设备不足或仪器错误而未能准确记录最终条件的标本

（8）所报告的标本在材料和几何特性方面不够详细的标本被排除在外。

满足上述条件并因此包含在测试数据库中的标本，然后要经受另外一组条件，以确定它们是否适合纳入现有模型的评估和新模型的开发中。抗压强度为（fc0c）的试样和最终轴向应变明显偏离相关强度和应变增强比的整体趋势（即通过将给定数据集的变化从f抄送/ f合作和70的趋势线限制到最大40％在模型评估和开发中不包括ecu/ e合作的％。在计算强度和应变增强比时被排除在外的试样在表3-7中分别标有上标“ s”和“ a”。此外，环箍断裂应变降低因子与标本的平均值明显不同的标本。

在表3–7中，材料（即平均Ike的plusmn;20％以上）用上标b标记，并且在环箍应变降低因子表达的开发中被排除在外。除此之外，样品的数据集还显示出应力-应变曲线，其中第二分支下降（在数据库表中标记为上标“ d”），而具有试管的样品的数据集采用自动制造方法制成（标有“ FM”）模型开发和评估中也排除了“数据库”中的“ FM”），以将研究范围限制为具有上升的第二分支和手工制造的FRP护套的标本。

3.新的测试数据库

表3–7显示了本研究中组装的完整测试数据库。该数据库由每个标本的以下信息组成：约束技术（包裹或用管包裹的混凝土）；试样的几何特性（直径D和高度H）；无约束混凝土强度（fc0o）和应变（er）;FRP外壳的材料特性（弹性模量Earp，抗张强度frump，总厚度tarp）；FRP外壳中使用的纤维的材料特性（弹性模量Cf，抗张强度ff，总厚度f）；承压混凝土的抗压强度（fc0c）和极限轴向应变以及断裂时的平均FRP环向应变;基于纤维特性和FRP材料特性的环箍断裂应变降低因子。数据库中提供的测试数据根据两个主要限制参数分为八类：限制技术（包裹物或管子）和FRP材料类型[碳FRP（ CFRP）；S或E玻璃FRP（GFRP）；芳纶FRP（AFRP）;高模量碳纤维增强塑料（HM CFRP）;或超高模量碳纤维增强塑料（UHM CFRP）。数据库中的755个标本用FRP包裹，而77个标本则用FRP管封闭。495个样本被CFRP限制；GFRP 206；AFRP 79；HM CFRP的40；和12通过UHM CFRP。FRP包裹的样品的结果列于表3–6中，按纤维类型分类，而所有FRP管包裹的样品的结果列于表7中。值得注意的是，对于某些数据集，单个如原始研究中所报道，表3–7中的条目可能代表一个以上名义上相同的样本的平均结果。这些数据集清楚地标记在表2中。此外，由Harries和Carey [8]（Determinant等人）测试的一组未粘结的样品[9]，Strappy [10]和Matthias等。文献[11]在数据库中被归类为管包裹标本。此外，除了Safari等人的数据集。[12]，Dong和Kim [13]以及Backlogging和Vincent [14]，数据库表中包含的所有数据集都是从标本中获得的，这些标本是由采用手工手工铺层技术制造的FRP壳（包裹物或试管）限定的。另一方面，Backlogging和Vincent [14]以及Dong和Kim [13]的标本则由采用自动灯丝缠绕技术制造的FRP管限制。和Safari等人的标本。[12]限于制造商提供的FRP管，原始文件中未报告具体的制造方法。这些数据集在表7中标有上标“ FM”，以突出显示这些标本的FRP外壳是使用自动制造方法而非手动方法制造的事实。

测试数据库中包含的样品（D）的直径在47至600 mm之间变化，大多数样品的直径为150 mm。通过混凝土圆筒试验获得的无侧限混凝土强度（fc0o）和应变（Eco）分别从6.2到55.2 M Pa和0.14％到0.70％。实际约束比（定义为实际极限极限压力与无约束混凝土强度之比）从0.02到4.74不等。数据库中报告的FRP材料性能是从原始研究报告中的材料测试结果（即试样或环裂测试）或制造商提供的规格中获得的。表3–7中标有FRP特性与相应材料的参考特性有显着差异的标本带有上标“m”，以表明这些特性中可能存在的误差。

3.1.纤维和玻璃钢复合材料的材料特性在数据库中的体现

在FRP约束的圆形混凝土截面中，可以假定FRP壳体提供的侧向约束压力沿圆周均匀分布（图1）。FRP壳体施加在混凝土芯上的约束是被动的。也就是说，该压力是由于混凝土在轴向压缩下的横向膨胀而产生的。当FRP壳体沿其环向承受拉力时，围压随横向膨胀成比例增加，直到FRP壳体破裂时系统最终失效。基于密闭壳与混凝土表面之间的变形相容性和假定密闭的密闭压力分布的假设，理论上可以根据公式计算出FRP外壳在极限（流感）时施加于混凝土的侧向密闭压力。（1）作为纤维极限拉伸应变的函数。

但是，有充分的文献证明，在FRP箍破裂时，在FRP外壳上测得的极限应变通常低于纤维或FRP材料的极限拉伸应变（例如[3,4,8,9,11， 15–25]）。观察到环向断裂应变与材料极限拉伸应变之间存在差异的原因有很多，包括：（i）工艺质量；（ii）FRP外壳中的纤维片重叠；（iii）制造缺陷（例如，纤维未对准）；（iv）混凝土的收缩率（对于玻璃纤维管包裹的混凝土）；（v）由玻璃钢外壳的缺陷和/或开裂混凝土的不均匀性引起的局部或不均匀影响；（vi）由样品缺陷和/或测试装置的不精确引起的载荷偏心；（vii）在FRP壳体上产生的多轴应力条件；（viii）玻璃钢外壳的曲率影响。

为了建立FRP壳的环向断裂应变与材料的极限拉伸应变之间的关系，Peskily等人定义了应变减小因子。[17]（式（2））。然后，Lam和Deng [3]通过用等式中FRP壳体的环向破裂应变代替材料的极限拉伸应变，定义了一个称为实际围压的术语（等式（3））。（1）。

在等式中（2），应适当注意确保应变减小因子与相应的极限材料拉伸应变一致地使用。在检查的研究中，以几种不同的方式报告了FRP约束系统的特性。报告的详细信息包括：（i）制造商规定的纤维性能；（ii）制造商规定的FRP性能（iii）根据测得的试样厚度，由平板试样测试确定的FRP性能；（iv）根据标称纤维板厚度由平板试样测试确定的FRP性能；（v）由开环试验确定的FRP性能。仅有少数研究[10,26,27]报告了通过环裂试验获得的FRP性能，而大多数研究提供了通过平板试样试验获得或由制造商提供的FRP性能。至于从平板试样测试获得的FRP特性，在某些研究中[18,28-36]，弹性模量和拉伸应力是根据标称纤维厚度而不是平板FRP试样的测得厚度来计算的。这些研究的数据集在表3–7中标有上标“ t”。

在表3–7中提供的数据库中，应充分注意在报告的围模材料的弹性模量，拉伸强度和总厚度值之间建立纤维和FRP性能之间的明显区别。在模型评估和开发中，如果数据集同时包含纤维和FRP特性，则模型预测基于纤维特性，除非纤维特性标有上标f表示其不完整或确定为不准确。关于数据库的分析FRP限制技术在本研究中评估的模型通常会认识到一个潜在的重要区别，那就是在FRP包裹的样品和FRP管包裹的样品之间做出的区别。以前Mirabeau[9]和Lam和Deng [2]报道，FRP包裹的和FRP管包裹的混凝土标本的行为没有显着差异。另一方面，Safari[12]等人得出结论，FRP约束混凝土的最终条件受采用的约束技术影响。

在本研究中，测试数据库分为两类，FRP包裹的和FRP包裹的标本的结果显示在单独的表格中。表3–6显示了FRP包裹的混凝土的结果，而表7报告了FRP管包裹的标本的结果。将FRP包裹的试样与FRP管包裹的试样的强度和应变增强比的趋势进行比较（图2和图3），表明两组试样的极限条件之间存在明显差异。但是，不可能根据这些观察得出明确的结论，因为在数据库中，用FRP包裹的标本大大超过用FRP包裹的标本。观察到的差异可能部分或全部是由于两组测试结果之间数据范围和样本分布的差异引起的。

3.3.玻璃钢材质类型

先前的一些研究集中于FRP材料类型对FRP约束混凝土性能的影响（例如[3,18,37,38]）。这些研究大多数都报告说，对于给定的约束比（flu，a / fco0），FRP约束混凝土的抗压强度仅受FRP材料类型的影响很小。然而，发现FRP约束混凝土的极限应变对约束FRP的材料特性高度敏感。现在可以理解，对于给定的约束比，FRP约束混凝土的极限轴向应变随约束其所用材料的极限拉伸应变的增加而增加。在本研究的数据库中报告的测试结果趋势支持了这种理解。4（a）和（b）]。从这些图中可以明显看出，应变增强率的趋势线对FRP的类型敏感，而强度增强率不受FRP类型变化的影响很大。

鉴于其直接影响实际的约束比，进而影响FRP约束混凝土的最终状态，很明显，环向断裂应变的准确确定在预测FRP约束混凝土的最终状态中起着至关重要的作用。由本研究报告的数据库确定的应变降低因子的平均值（表8）指出了纤维类型对应变降低因子的影响，因此对环向断裂应变也有影响。这种影响，以前在Backlogging和Akin [39]和Aid等人中也有报道。[40]，将在本文后面进一步讨论。

3.

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