在FRP约束下高强混凝土的统一循环应力-应变模型
摘要：将纤维增强聚合物（FRP）作为混凝土的约束材料日益普遍，既包括加固现有的柱子（通常使用FRP包裹的纤维完全或主要沿环向取向），又包括在新的结构中，被长丝缠绕的FRP通常使用纤维相对于纵轴成所需角度取向的纤维管。这两种类型的应用，都需要正确理解FRP约束混凝土在循环轴向压缩下的应力-应变行为，并对其建模，以便在地震荷载下精确模拟此类柱。
本文在Lam和Teng于2009年提出的早期模型的关键评估基础上，通过利用一个包含FRP包裹混凝土管（CFFT）和混凝土圆柱体的新试验结果的数据库，提出了一种改进的FRP约束混凝土循环应力应变模型。 评估结果显示，由于可用的测试结果有限，Lam和Teng的模型存在一些缺陷。本文提出的模型纠正了这些缺陷，并对CFFTs混凝土和FRP包裹混凝土以及普通强度混凝土（NSC）和高强度混凝土（HSC）提供合理准确的预测。
关键词：FRP；约束混凝土；应力应变模型；循环荷载高强混凝土
- 引言
纤维增强聚合物（FRP）包裹的纤维完全或主要沿环向取向，在实践中已广泛用于加固/改造混凝土柱[1,2]。 由于FRP的约束，混凝土的抗压强度和极限抗压应变都可以得到显著提高[3,4]。 在新建筑中还探索了将FRP用作约束材料，其中FRP通常以管的形式采用，以便在有或没有附加钢筋的情况下限制混凝土填充物（即混凝土填充的FRP管或CFFT）[5–7]。 这两种类型的应用，都需在开发安全和经济的设计方法之前正确理解和建模FRP约束混凝土的应力-应变行为。FRP约束混凝土在循环轴压作用下的应力-应变特性对于精确模拟此类柱在地震荷载作用下的应力-应变特性具有重要意义。
关于用FRP包裹的混凝土[17]的循环应力-应变行为已展开了许多实验研究[8-16]。 最近，作者团队首次对CFFT的循环压缩行为进行了系统的实验研究[18]并将约束混凝土的循环应力-应变行为作为研究的重点。Zhang等人的研究[18]表明，CFFTs中混凝土的循环轴向应力-应变特性通常类似于用FRP包裹的混凝土，这表明，约束混凝土的循环应力-应变模型适用于用FBR包裹的混凝土的应用程序的开发。
很多研究已经检验了无侧限和钢约束混凝土在循环压缩下的应力-应变行为，并生成了许多循环应力-应变模型（例如[19-21]）。然而，这些模型通常不适用于FRP约束混凝土，因为其本质上与无侧限混凝土和钢约束混凝土不同：无侧限混凝土不存在侧向约束压力，钢约束混凝土的侧向约束压力在屈服后不变，但混凝土横向变形[22]随着侧向约束压力的增加而不断增大。据作者所知，仅有五个针对圆柱FRP约束混凝土（即均匀FPR约束下的混凝土）的循环应力-应变模型[10,16,17,23,24]。Shao等人的模型[10]被证明不足以预测卸载路径，也无法预测加载历史对混凝土应力应变的累积影响[11]。Wang等人的模型[23]适用于FRP约束混凝土，以及受FRP和环箍钢筋共同约束的混凝土但是该模型也没有考虑重复荷载循环的累积影响。Desprez等人的模型[24]既不是基于FRP约束混凝土柱的循环轴向压缩试验的结果，也不是直接针对此类试验结果直接验证的。Lam和Teng的模型[17]基于他们组装的试验数据库，且证明可以捕捉到FRP约束混凝土的所有关键特性并提供合理准确的预测。Bai等人的模型[16]专门用于具有较大的断裂应变（约6％）的FRP约束的混凝土，模型包含了Lam和Teng模型[17]的大部分组件（如卸载/重新加载路径），但具有不同的包络应力-应变曲线，以反映这种特殊类型的FRP的效果。
尽管Lam和Teng的模型[17]是在一个相对较大的数据库的基础上开发的，但使用当时可用的测试数据库无法轻易解决一些重要问题。 试验数据库仅限于用FRP包裹的混凝土。高强度混凝土（HSC）模型的校准基于一项研究的有限试验数据（即参考文献[8]）。但Ozbakkaloglu和Akin [13]的最新研究表明，Lam和Teng模型[17]对HSC的性能表达不如其对普通强度混凝土（NSC）的性能表达。尽管Lam和Teng [17]在其模型中考虑了加载历史的累积影响，但他们提出的方程基于有限的试验数据：在给定的卸载点重复加载循环的最大次数为3。
本文根据作者[18]获得的CFFTs新试验结果以及在Lam和Teng研究[17]之后发表的FRP包裹混凝土试验结果，对Lam和Teng的模型[17]进行了批判性评估。在此评估的基础上，针对圆形柱中的FRP约束混凝土（即均匀FRP约束的混凝土），提出了一种改进的循环应力-应变模型。所提出的模型是在两个方面的统一模型：（1）既适用于FRP包裹混凝土，又适用于CFFTs中的混凝土；（2）同时适用于FRP约束的NSC和HSC。 本文仅涉及破裂应变小于3％的常规FRP（例如玻璃FRP和碳FRP）约束混凝土，因此Bai等人的工作[16]不在本文中进一步讨论。
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