FRP钢管再生混凝土长柱的轴压力学性能测试方法与流程

本发明涉及FRP钢管再生混凝土，具体涉及FRP钢管再生混凝土长柱的轴压力学性能测试方法。

背景技术：

目前，FRP钢管再生混凝土是在钢管内填充再生混凝土,外部缠绕FRP片材而形成的组合结构,其工作机理是利用外部套管(筒)的紧箍作用使核心的再生混凝土处于三向受压状态,以提高其轴向承载能力。在轴压过程中，荷载初期由于再生混凝土的弹性模量小于钢管的弹性模量，钢管和核心的再生混凝土共同承受荷载，不发生相互的挤压，随着荷载的继续增大核心的再生混凝土开始产生微裂缝，核心的再生混凝土对钢管产生挤压，钢管有承受单独的轴压开始专变为轴向压力应和径向压应力共同作用，荷载继续增大，钢管的环向应变继续增大，外围的FRP开始对钢管产生环向的拉应力，此时钢管处于轴向压应力、径向压应力，环向拉应力的三轴受力形态，再生混凝土也处于三向受力的形态，FRP不考虑其产生轴向受压，只产生环向的受拉状态，而FRP钢管再生混凝土结构是由FRP、钢、再生混凝土三种非均匀、非线性的材料组成,使其受力分析成了研究难题。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提供了FRP钢管再生混凝土长柱的轴压力学性能测试方法。

本发明采用的技术方案是：FRP钢管再生混凝土长柱的轴压力学性能测试方法，包括以下步骤：

S1，试验的基本材料包括：FRP加固材料、环氧树脂AB胶、无缝钢管、废弃的混凝土、PC普通硅酸盐水泥、砂、水、混凝土试块制作的钢模，以及在试件加工时的辅助工具；通过设定参数，粗骨料的取代率，FRP的包裹层数，FRP的包裹方式；

S2，加载设备和试验过程，试验采用300吨微机控制电液伺服压力机进行加载,所有试件均为轴心受压；压力机实现软件控制系统与计算机技术的结合,试验时能采用力控制、位移控制、以及力-位移混合控制的方式进行加载；

S3，试验过程：试验过程分为预压对中和加压两个过程；所有试件在加载前都进行对中,压力机底板有一个几何中心圆,进行预压对中时,将试件放入这个圆内；并对引线进行编号；加载过程中,采集仪上钢管四个纵向应变片的数值变化,如果四个应变片数值接近且在荷载达到极限荷载的10％时还是相差不大,则认为试件是轴心受压；

S4，采集的数据为：

钢管表面的纵向应变、横向应变数据；

FRP表面的环向应变数据；

FRP钢管再生混凝土的轴压荷载与位移数据。

本发明的优点：

本发明的方法，通过设定参数，粗骨料的取代率，FRP的包裹层数，FRP的包裹方式，长细比这四个参数对FRP钢管再生混凝土长柱进行测试，荷载—位移曲线的精确结果，解决了FRP钢管再生混凝土受力分析研究难题的问题。

本发明是通过与工程直接相关的受力构件设定参数，这样更能直接的得出科学的数据，运用指导实践活动；

本发明方法中的FRP钢管再生混凝土长柱利用高强度的FRP新型材料不仅可以改变钢材的耐火性差，易腐蚀的特点外还可以对构件的极限承载力有一定的提高，改变构件的延性，使构件的承载力更加提高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的FRP钢管再生混凝土长柱的轴压力学性能测试方法流程图；

图2是FRP层在钢管外部的间隔包裹的结构示意图；

图3是FRP层在钢管外部的连续包裹的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种FRP钢管再生混凝土长柱，包括FRP层、无缝钢管、天然的卵石或碎石、再生混凝土、PC普通硅酸盐水泥、粗砂、水；其中的PC普通硅酸盐水泥、粗砂、水的比例为500:479:190；其中的天然的卵石或碎石、再生混凝土含量分别为：1231、0；或615.5、615.5；所述混凝土设置在钢管内部；所述FRP材料为1-3层包裹在钢管外部；FRP层在钢管外部的包裹方式为间隔包裹或连续包裹。

所述天然的卵石或碎石、再生混凝土、PC普通硅酸盐水泥、粗砂、水制成的混凝土为经人工破碎粒径为2—4mm的颗粒。

参考图1，如图1所示的FRP钢管再生混凝土长柱的轴压力学性能测试方法，包括以下步骤：

S1，试验的基本材料包括：FRP加固材料、环氧树脂AB胶、无缝钢管、废弃的混凝土、PC普通硅酸盐水泥、砂、水、混凝土试块制作的钢模，以及在试件加工时的辅助工具；通过设定参数，粗骨料的取代率，FRP的包裹层数，FRP的包裹方式；

S2，加载设备和试验过程，试验采用300吨微机控制电液伺服压力机进行加载,所有试件均为轴心受压；压力机实现软件控制系统与计算机技术的结合,试验时能采用力控制、位移控制、以及力-位移混合控制的方式进行加载；

S3，试验过程：试验过程分为预压对中和加压两个过程；所有试件在加载前都进行对中,压力机底板有一个几何中心圆,进行预压对中时,将试件放入这个圆内；并对引线进行编号；加载过程中,采集仪上钢管四个纵向应变片的数值变化,如果四个应变片数值接近且在荷载达到极限荷载的10％时还是相差不大,则认为试件是轴心受压；

S4，采集的数据为：

钢管表面的纵向应变、横向应变数据；

FRP表面的环向应变数据；

FRP钢管再生混凝土的轴压荷载与位移数据。

试验概况：

几何特性：在此试件设计中分析了不同截面的受力方式，FRP这种平面外刚度为零，受拉强度高的材料，在方钢管中截面中部的FRP布在柱边中部区域会产生弯曲，由于FRP的抗弯刚度极小，所以对核心区的钢管和混凝土的约束力很小，而在角部区域相互垂直的FRP布的约束力会对核心的钢管和混凝土形成了强力的约束，使得整个区域分为有效约束区和无效约束区。方形截面柱的倒角尺寸对FRP布的约束作用明显，半径过小的倒角会加重FRP布在棱角处的应力集中，从而降低其约束力，但在圆形的界面内受力比较均匀，故本次试验选择圆形的界面进行验证。

FRP的包裹方式：参考图图2和图3，如图2和图3所示，FRP的包裹方式分为连续包裹和间隔包裹。连续包裹的钢管再生混凝土受力比较好，能在钢管混凝土的极限荷载出现后的曲线内，使得整个曲线可能成平缓的上升的趋势，曲线下降时曲线的斜率较大，且时间持续较长。间隔包裹的钢管再生混凝土在FRP包裹处收到约束力，没有包裹的地方没有收到约束力，因此在极限荷载出现后对钢管再生混凝土的约束曲线现象没有明显的增加，同时，曲线下降的斜率小。

FRP的包裹层数：FRP的包裹层数影响钢管再生混凝土的承载力大小，在轴压试验中很明显的表示出来。包裹层数越多则FRP钢管再生混凝土的约束力越大则承载力增加明显(假定FRP布与钢管没有滑移)，曲线有明显的上升区段，且在曲线下降时的斜率较大，时间持续时间久。包裹层数少约束力小则承载力比较低，在轴压试验是曲线有上升但上升平缓，在曲线下降区段时斜率比较小，时间持续段。

再生混凝土的取代率：混凝土作为再生混凝土的粗骨料有多种因素影响再生混凝土的性能：

(1)强度：再生骨料是将已破坏的混凝土经破碎加工而获得,在受力过程中己存在一些裂缝,导致骨料强度较低,由于破碎而得的混凝土碎块的成分十分复杂,通常会含有设计强度等级高低不同的混凝土成分,而且其结构表面在自然界中己经发生了碳化,或者由于经过了其它腐蚀侵蚀后变得酥松,导致再生骨料的强度较低而且情况复杂，随着再生骨料的掺量增大, 混凝土的抗压强度降低,再生粗骨料的掺入使得降低现象尤为突出,因此在配制再生混凝土时应考虑再生骨料掺入量对混凝土强度的影响。

再生混凝土的取代率：混凝土作为再生混凝土的粗骨料有多种因素影响再生混凝土的性能：

(1)强度：再生骨料是将已破坏的混凝土经破碎加工而获得,在受力过程中己存在一些裂缝,导致骨料强度较低,由于破碎而得的混凝土碎块的成分十分复杂,通常会含有设计强度等级高低不同的混凝土成分,而且其结构表面在自然界中己经发生了碳化,或者由于经过了其它腐蚀侵蚀后变得酥松,导致再生骨料的强度较低而且情况复杂，随着再生骨料的掺量增大,混凝土的抗压强度降低,再生粗骨料的掺入使得降低现象尤为突出,因此在配制再生混凝土时应考虑再生骨料掺入量对混凝土强度的影响。

(2)收缩率：再生骨料的组成包括天然骨料和附着其上的硬化砂浆,在破碎过程中内部往往会产生大量具有一定尺寸的裂纹,从而增大吸水率，吸水率高则必然导致失水后混凝土收缩增大,徐变增大。

(3)耐久性：通过对再生混凝土的性能试验研究,表明再生混凝土的耐久性较天然骨料混凝土的要差。由于再生骨料孔隙率较高,吸水率大,再生混凝土抗渗性能较相同配合比的普通混凝土差,氯离子的渗透性也差。再生混凝土的抗碳化性能略差于普通混凝土,原因是再生混凝土的孔隙率高,抗渗性差。

(4)耐久性：混凝土的耐久性取决于其强度和硬度,尤其是面层混凝土的强度和硬度。所以随着再生骨料取代率的增加,其耐磨损深度也增加。

构件的长细比(L/D)：当构件的长度一定，增大构件的界面尺寸(相当于减小了构件的长细比)直接提高的构件的截面强度；当构件的截面尺寸一定，改变构件的长度直接影响到构件在受压是失稳状况，构件的长细比越大，构件的挠度越大构件越易失稳。

通过设定参数，粗骨料的取代率，FRP的包裹层数，FRP的包裹方式，长细比这四个参数对构件设计如下表：

表一：FRP钢管再生混凝土长柱的设计

表二：C30再生混凝土实验配合比参数表，其中水灰比为0.38

构件的破坏形态及现象的描述：

FC-1：

刚开始没有明显的现象，有吱吱的钢管和树脂剥开的吱吱的声音发出，随着荷载的继续增大，当力为448kN，钢管下部开始外鼓，碳纤维被剥开，力462kN，中部开始外鼓，碳纤维被拉断，外漏钢管，碳纤维布向两端延伸，屈曲现象进一步明显，力286kN，钢管呈“C”型，屈曲现象进一步明显，此时FRP钢管再生混凝土柱的承载能力已经打幅度的降低，承载力急剧的下降。

FC-2：

随着荷载的继续增大，在轴力为410kN，上部22cm处开始外鼓，力411kN，上部22cm处继续外鼓，且发出一声巨响，屈曲现象进一步明显，力361kN，下部14cm处外鼓，且发出一声巨响，碳纤维被拉断，钢管呈“S”型，屈曲现象更加明显，急剧下降。

FC-3：

随着荷载的增大，在荷载为312kN，中部开始外鼓，并有吱吱声音，力270kN，上部20cm处开始外鼓，碳纤维被拉断，屈曲现象进一步明显，力254kN，碳纤维布被剥开，屈曲现象更加明显，力338kN，上部20cm处外鼓约1cm并有钢管破裂的声音，屈曲现象进一步明显，力328kN，上部10cm处碳纤维布被拉断，钢管破裂，有一声巨响发出，砼外漏，钢管呈“C”型，力急剧下降。

FC-4：

随着荷载的继续增大，力451kN，上部20cm处开始外鼓，碳纤维被拉毛，有钢管破裂的声音，力463kN，上部20cm处碳纤维被拉断，屈曲现象进一步明显，力460kN，中部开始外鼓，屈曲现象进一步明显，力413kN，上部开始外鼓，此时整个钢管呈“C”型，中部的碳纤维布被剥开，下部开始外鼓，屈曲现象进一步明显。

FC-5：

开始时没有明显的现象，随着荷载的继续增大，当力为222kN，中部开始外鼓，力178kN，有钢管开裂的声音，中部的屈曲现象更加明显，力130kN，钢管呈“C”型，有吱吱响声，中部的屈曲现象更加明显，整个FRP钢管再生混凝土柱承载力明显的降低。

FC-6：

刚开始时没有明显的现象，随着荷载的继续增大，当力为72kN，上部约15cm处开始外鼓，当力80kN，下部约15cm处开始外鼓,上部的屈曲现象进一步明显，荷载继续增到到94kN，下部外鼓约1cm，此时整个柱子的承载力已经降低，荷载开始下降。

FC-7：

刚开始时没有明显的现象，随着荷载的继续增大，轴力为225kN，中部开始外鼓，并有声音钢管与树脂剥开的吱吱声，荷载继续增大，中部的屈曲现象进一步的明显，此时在中部外鼓的地方，碳纤维被多出拉毛有剥开的现象，荷载继续增大，中部的屈曲现象更加的明显，直到最后整个柱子呈“C”型，承载力降低。

FC-8：

荷载继续继续增大，当力为56kN，上部12cm处开始外鼓，力71kN，上部12cm处继续外鼓，并发出吱吱的声音，力90kN，上部20cm处开始外鼓，屈曲现象更加明显，力108kN，中部的碳纤维布被剥开，并且有吱，曲现象更加明显，力166kN，上部12cm和20cm处外鼓约1cm，有钢管破裂的声音，屈曲现象进一步明显，力188kN，下部约204cm处开始外鼓，上部的屈曲现象进一步明显，力206kN，中部开始外鼓，碳纤维被拉毛，屈曲现象进一步明显，整个柱子已经发生变形，承载力开始下降。

FC-9：

随着荷载的继续增大，当力为62kN，上部30cm处开始外鼓，力126kN，上部30cm处继续外鼓,中上部的第二带碳纤维布被拉毛，力112kN，上部30cm处外鼓约1cm，屈曲现象进一步明显，力51kN，整钢管呈“C”型，屈曲现象进一步明显，此时整个柱子发生变形，承载力开始降低。

试件的影响因素的荷载—位移

通过对构件的荷载—位移曲线的分析得出试件受力时的影响因素，构件在不同阶段的受力情况，构件在不同时期时材料的受力先后。

粗骨料取代率的影响

FC-1(取代率0％)的最大承载力为499KN,FC-2(取代率50％)的最大承载力为409KN，FC-3(取代率100％)的最大承载力为338KN,得出在FRP包裹层数、长细比、包裹方式相同时，构件的承载力随着粗骨料取代率的增大而减小，但在后期的承载力中取代率大的构件的承载力并没有马上下降，而是有一定的延性，说明再生混凝土并不像普通的混凝土是脆性材料，而是有一定的延性的。

FRP包裹层数的影响

FC-3(全带一层)最大承载力为338KN，FC-6(未加固)最大承载力为116KN，FC-7(全带2层)最大承载力为390KN，得出在粗骨料取代率，包裹方式，长细比相同时，构件的承载力随着FRP包裹层数的增多而增大，在构件后期钢管屈服时FRP对钢管有很好的约束力，使得中部的再生混凝土受到双重的约束作用，大大提高了构件的承载力。

FRP包裹方式的影响

FC-3(一层全带)的最大承载力为338KN，FC-6(未加固)最大承载力为106KN，FC-8(一层三条带)最大承载力为206KN，FC-9(一层四条带)最大的承载力为119KN，得出在粗骨料取代率、包裹层数、长细比相同时构件的承载力随着包裹方式的不同而不同，没有加固的构件的承载力明显低于加固的构件，当构件在后期屈服以后不同的包裹方式显得尤为重要.FC-8的前期承载力略高于FC-9构件，但在后期钢管屈服以后，FC-9的承载力并没有急剧的下降而是在位移增加的很快，而位移缓慢的改变。

长细比的影响

长细比的影响的曲线的规律一致，FC-3(L/D＝12)的最大承载力为338KN，FC-4(L/D＝10)最大承载力为468KN，FC-5(L/D-14)最大承载力为262KN，得出在粗骨料取代率、包裹层数、包裹方式相同时，长细比越大构件的承载力越小，当受力截面一致时，构件的长度会影响构件在受力的扰度变化，长度越大则构件在轴压过程中越易变形，轴压时会受到弯矩的影响，此时是一个力的组合变形。

荷载—位移曲线结论：

荷载—应变曲线反应了构件在荷载作用下局部变形规律

(1)弹性阶段，此时的构件的曲线斜率是粗骨料的取代率越高曲线的斜率越大，FRP包裹的层数越多曲线的斜率越大，FRP的全部包裹的斜率大于部分包裹的方式。

(2)弹塑性阶段，此时长柱的长细比比较大，在钢管开始屈服时，构件先从中部开始屈曲变形，这也是长柱容易放生失稳的原因。从曲线中得出此时应变增加迅速，荷载增加缓慢，横向应变大幅度的提高。曲线的斜率是随着粗骨料的取代率增大、包裹层数增多，包裹全部的方式而增大。

(3)塑性强化阶段，此时的应变增大而荷载不增大或者应变增大，荷载波动，进入塑性强化阶段后，钢管已经屈服，核心的再生混凝土的裂缝变大，构件的横向应变增大，使得FRP的约束效应增强，曲线出现了第二峰值。

(4)FRP断裂，构件破坏阶段，横向应变的增大使得FRP发生断裂，FRP断裂之后钢管完全的屈服，构件破坏以后力会急剧的下降。

本发明的方法，通过设定参数，粗骨料的取代率，FRP的包裹层数，FRP的包裹方式，长细比这四个参数对FRP钢管再生混凝土长柱进行测试，荷载—位移曲线的精确结果，解决了FRP钢管再生混凝土受力分析研究难题的问题。

本发明是通过与工程直接相关的受力构件设定参数，这样更能直接的得出科学的数据，运用指导实践活动；

本发明方法中的FRP钢管再生混凝土长柱利用高强度的FRP新型材料不仅可以改变钢材的耐火性差，易腐蚀的特点外还可以对构件的极限承载力有一定的提高，改变构件的延性，使构件的承载力更加提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。