CN110287530A - 一种约束方形混凝土柱的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种约束方形混凝土柱的制备方法，属于建筑施工技术领域，解决了现有技术中对约束混凝土抗压强度预测准确性低、实用性不强，预测大尺寸混凝土柱强度时强度偏高等问题。本发明制备方法包括以下步骤：S1.建立考虑尺寸效应的约束方形混凝土柱强度‑未约束方形混凝土柱强度的计算模型；S2.获取制备约束方形混凝土柱的参数，对约束方形混凝土柱抗压强度进行预测；S3.根据满足约束混凝土柱抗压强度要求的参数制备所述约束方形混凝土柱。本发明制备方法适用于考虑尺寸效应的大尺寸混凝土柱的制备。

Description

一种约束方形混凝土柱的制备方法

技术领域

本发明属于建筑施工技术领域，特别涉及一种约束方形混凝土柱的制备方法。

背景技术

当前预测方法会高估约束混凝土抗压强度，低估极限应变：主动约束是混凝土构件在加载前已经承受来自侧向的约束，在构件未发生破坏前，其最大主应力(或称为极限应力)是高于被动约束混凝土的，但主动约束混凝土应力-应变关系的第二段曲线上升趋势较缓，甚至曲线峰值后存在下降趋势；对于被动约束混凝土，比如FRP材料只有当混凝土发生较大侧向变形时才发挥明显作用，故一般情况下被动约束混凝土的极限应力略低，但在侧向约束较强的情况下，其应力-应变关系第二段的斜率会明显高于主动约束混凝土。上述假设高估了FRP约束混凝土的应力-应变关系和抗压强度，但极限应变往往会低估。

现有预测方法中环向拉断应变确定方法存在缺陷：相对于条带FRP的材料性能试验(Coupon Test)得到的拉断应变ε_f，FRP环箍的实际拉断应变ε_j,u值要略低且较难预测到准确值，一般情况下是较难直接获得FRP实际拉断应变。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种约束方形混凝土柱的制备方法，用以解决现有技术中对约束混凝土抗压强度预测准确性低、实用性不强、预测大尺寸混凝土柱强度时强度偏高等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种约束方形混凝土柱的制备方法，包括以下步骤：

S1.建立考虑尺寸效应的约束方形混凝土柱强度-未约束方形混凝土柱强度的计算公式：

式中，f′_cc为约束混凝土柱抗压强度，f′_c为未约束混凝土柱抗压强度，f_l为名义侧项约束力，单位均为MPa；ρ为混凝土柱角部影响系数；B为方柱截面边长mm；

S2.通过S1的计算公式，获取约束方形混凝土柱抗压强度f′_cc；

S3.根据是否满足约束混凝土柱抗压强度要求确定是否制备约束方形混凝土柱；

步骤S3中，约束方形混凝土柱的制备包括以下步骤：

S3-1.制备未约束的方形混凝土柱；

S3-2.根据S1中获得的FPR布的各项参数在未约束混凝土柱、外包裹FPR布完成约束方形混凝土柱的制备。

进一步的，步骤S1中，f_l＝2n_ft_fE_fε_j,u/B

式中，n_f、t_f、E_f和ε_j,u分别为FRP的层数、单层厚度、弹性模量和FRP环箍的实际拉断应变，B为方柱截面边长mm。

进一步的，步骤S1中，包括步骤S1-1.建立应变有效系数平均值与步骤S1中计算公式的关系。

进一步的，步骤S1-1中，

式中，为应变有效系数平均值，ε_f为FRP条形拉伸试验测得的极限拉应变。

进一步的，步骤S1中，

ρ＝2r_c/B

式中，r_c为方柱倒角半径mm，B为混凝土方柱截面边长mm。

进一步的，步骤S1中，方柱截面边长B为70～914mm。

进一步的，步骤S1中，未约束混凝土抗压强度f′_c的范围是10.0MPa～55.2MPa。

进一步的，步骤S3还包括步骤S3-3：对不满足约束混凝土柱抗压强度要求的参数进行调整，重新进行步骤S2，直至满足约束混凝土柱抗压强度要求。

进一步的，约束方形混凝土柱包括钢筋骨架、混凝土和FPR布，FPR布为纤维增强复合材料。

进一步的，步骤S3-1包括：S3-11.搭建钢筋骨架；S3-12.在钢筋骨架内灌入混凝土完成混凝土柱的制备。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)现有技术中均未考虑尺寸效应对FPR约束方柱的影响，本发明在模型中引入尺寸效应影响系数，提高了大尺寸混凝土柱强度预测的可靠性。

2)本发明建立的模型形式简单，方便使用，预测精度相较于其他模型更高，防止出现直接制备约束混凝土柱造成的抗压强度不满足要求，存在安全隐患的问题。

3)现有技术中较难直接获得准确的FRP实际拉断应变，本发明采用FRP的应变有效系数k_ε代换FRP实际拉断应变，预测过程中不需要再获取FRP实际拉断应变，使得理论强度模型具有更强的实用性。

4)提出的FRP约束方形混凝土柱强度模型涵盖的未约束混凝土抗压强度的范围是f′_c＝10.0MPa～55.2MPa，方柱截面尺寸B＝76～914mm，本发明强度模型的适用范围较广。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1混凝土破坏面与不同应力状态下莫尔圆之间的关系；

图2不考虑尺寸效应情况下的各强度模型预测水平；

图3考虑尺寸效应情况下的强度模型预测水平。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种约束方形混凝土柱的制备方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

一种考虑尺寸效应的约束方形柱的制备方法，约束方形混凝土柱包括钢骨架、混凝土和FPR布，FPR布为纤维增强复合材料；

约束方形柱的制备包括以下步骤：S1.建立约束方形混凝土柱强度-未约束方形混凝土柱强度的计算模型：

库伦于1773年提出了内摩擦理论，如式(1)所示，即对于复杂应力状态下的材料，当其所受剪力达到最大剪应力τ时，材料发生破坏。式中τ为剪应力，c为粘聚力，为内摩擦角，σ为剪切面上的正应力。

Mohr强度理论中的材料的σ-τ关系可由下列函数表示：

τ＝F(σ) (2)

将Mohr强度理论写成下列形式，其中f′_c为混凝土单轴抗压强度，f_t'为混凝土单轴抗拉强度：

式中，参数a、b均为f_t′/f′_c的函数，表示为a＝g(f_t′/f′_c)，b＝h(f_t′/f′_c)。

式(3)表达的包络线与描述混凝土单轴受拉的莫尔圆相切于σ/f′_c轴上的(-f_t′/f′_c，0)点，将τ/f′_c＝0和σ/f′_c＝-(f_t′/f′_c)代入式(3)，得到

将式(4)代入式(3)，得到

先令式(5)中的系数n＝2，得到下式(6)，理论强度模型的推导过程获得简化，最后讨论f_t′/f′_c的取值问题。具体推导过程如下。

对于图1中的单轴应力下莫尔圆，其第三主应力σ₃＝0，方程形式为

对式(6)和式(7)在图1中的p点求导，且两式在该点的斜率相等，记p点应力为σ_p，这样得到

化简式(7)，得

a值代入式(6)，得

将式(8)和式(9)代入式(10)求解σ_p，则有

将式(8)、式(9)代入式(6)，得到

最后将式(11)代入式(12)，有

这里，参数a、b的表达式如下所示

图1中的多轴应力状态下莫尔圆方程形式为

对式(13)和式(15)在图1中的q点求导，两式在该点的斜率相等。对于约束混凝土，最大主应力σ₁＝f′_cc，第三主应力σ₃＝f_l，其中f′_cc为约束混凝土抗压强度，f_l为名义侧向约束力，由FRP条形拉伸试验值ε_f计算得到，这样：

为简化方程形式，先将式(14a)中参数a代入式(16)，得到

对上式中的进行二项式展开。由于二项式的阶次<1.0(即1/2)，展开各项的指数小于1.0，甚至小于0，故引入Γ函数如下：

同时采用广义阶乘中的递推公式、余元公式和其他性质分别如下：

Γ(s+1)＝s·Γ(s) (19)

Γ(s+1)＝s！ (21)

则式(17)变为：

因为通常情况下f_t′/f′_c≤0.1，所以为简化上式，可令a＝1，且上式方括号中最后一项的值较小，可以略去，故得到

注意到式(23)最后一项中的值较小(<0.06)，而且随着约束比f_l/f′_c的增加，(f_l/f′_c)^-1/2的值呈递减趋势，因此略去上式中的最后一项，得

考虑到二项式的展开形式，可进一步地简化式(24)，得到幂函数形式的方程如下：

式中，λ₁和λ₂为经验参数，通过对FRP约束混凝土的试验数据回归得到，但式(25)仍适用于对约束混凝土圆形柱强度的预测。因此，将方柱角部系数ρ添加到上式中，得如下形式：

ρ＝2r_c/B式中，r_c为方柱倒角半径(mm)，B为混凝土方柱截面边长(mm)。

对收集的17个试验的230个FRP约束混凝土方形柱数据进行拟合，得到经验参数λ₁＝3.02，λ₂＝1.20，α＝1.04，则强度模型可写为下式：

式中，约束力f_l由FRP条带拉伸试验得到。强度模型适用范围为f′_co＝10.0MPa～55.2MPa。

本发明共收集286个不同尺寸的FRP约束混凝土方柱的试验数据，首先在不考虑尺寸效应的情况下比较各模型的预测水平。图2中(a)Kumutha等模型；(b)Shehata等模型；(c)Campione等模型；(d)Youssef等模型；(e)Wu等模型；由图2看出，现有模型对方柱强度的预测出现了一定偏差，即随着试件尺寸的增大，预测值有提高的趋势，说明未考虑试件尺寸影响会导致模型的预测值偏大。

为避免模型在预测大尺寸混凝土柱强度时的偏高情况，在上述模型中引入尺寸效应影响系数γ_U，以此提高大尺寸混凝土柱强度预测的可靠性。考虑试件尺寸效应的强度模型表达式如下：

通过对数据进行拟合，得γ₁＝1.49，γ₂＝-0.05，则上式变为

模型对本发明收集的286个试验数据的预测水平见图3，可见考虑尺寸效应后的模型，可以较精确地预测FRP约束大尺寸混凝土柱的抗压强度。该模型适用于方柱截面尺寸B＝70～914mm和f′_co＝10.0MPa～55.2MPa范围内的混凝土方柱强度的预测。

S2.通过S1获取约束方形混凝土柱抗压强度；

S3.根据是否满足约束混凝土柱抗压强度要求确定是否制备所述约束方形混凝土柱。

S3-1.制备未约束的方形混凝土柱；

S3-2.根据S1中获得的FPR布的各项参数在未约束混凝土柱、外包裹FPR布完成约束方形混凝土柱的制备。

步骤S3-1包括：S3-11.搭建钢筋骨架；S3-12.在钢筋骨架内灌入混凝土完成混凝土柱的制备。

f_l＝2n_ft_fE_fε_j,u/B

上式中，nf、tf、Ef和ε_j,u分别为FRP的层数、单层厚度、弹性模量和FRP环箍的实际拉断应变，B为方柱截面边长；

步骤S3中还包括步骤S3-3：对不满足约束混凝土柱抗压强度要求的参数进行调整，重新进行步骤S2，直至满足约束混凝土柱抗压强度要求。

步骤S1中，包括步骤S1-1.建立应变有效系数平均值与步骤S1中计算模型的关系：

式中，为应变有效系数平均值，通过收集约束混凝土柱的FRP箍环向拉断应变的数据计算取平均值获得，ε_f为FRP条形拉伸试验测得的极限拉应变。一般较难直接获得FRP实际拉断应变的，本发明采FRP的应变有效系数k_ε代换FRP实际拉断应变，预测过程中不需要再获取FRP实际拉断应变，使得理论强度模型具有更强的实用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种约束方形混凝土柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.建立考虑尺寸效应的约束方形混凝土柱强度-未约束方形混凝土柱强度的计算公式：

式中，f′_cc为约束混凝土柱抗压强度，f′_c为未约束混凝土柱抗压强度，f_l为名义侧项约束力，单位均为MPa；ρ为混凝土柱角部影响系数；B为方柱截面尺寸；

S2.通过S1的计算公式，获取约束方形混凝土柱抗压强度f′_cc；

S3.根据是否满足约束混凝土柱抗压强度要求确定是否制备所述约束方形混凝土柱；

所述步骤S3中，约束方形混凝土柱的制备包括以下步骤：

S3-1.制备未约束的方形混凝土柱；

S3-2.根据S1中获得的FPR布的各项参数，对所述未约束混凝土柱进行外包裹FPR布完成约束方形混凝土柱的制备。

2.根据权利要求1所述的约束方形混凝土柱的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，f_l＝2n_ft_fE_fε_j,u/B

式中，n_f、t_f、E_f和ε_j,u分别为FRP的层数、单层厚度、弹性模量和FRP环箍的实际拉断应变，B为方柱截面尺寸。

3.根据权利要求2所述的约束方形混凝土柱的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，包括步骤S1-1.建立应变有效系数平均值与步骤S1中计算公式的关系。

4.根据权利要求3所述的约束方形混凝土柱的制备方法，其特征在于，所述步骤S1-1中，

式中，为应变有效系数平均值，ε_f为FRP条形拉伸试验测得的极限拉应变。

5.根据权利要求1所述的约束方形混凝土柱的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，

ρ＝2r_c/B

式中，r_c为方柱倒角半径mm，B为混凝土方柱截面边长mm。

6.根据权利要求1所述的约束方形混凝土柱的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，方柱截面尺寸B为70～914mm。

7.根据权利要求1所述的约束方形混凝土柱的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，未约束混凝土抗压强度f′_c的范围是10.0MPa～55.2MPa。

8.根据权利要求1-7所述的约束方形混凝土柱的制备方法，其特征在于，所述步骤S3还包括步骤S3-3：对不满足约束混凝土柱抗压强度要求的参数进行调整，重新进行步骤S2，直至满足约束混凝土柱抗压强度要求。

9.根据权利要求1所述的约束方形混凝土柱的制备方法，其特征在于，所述约束方形混凝土柱包括钢筋骨架、混凝土和FPR布，所述FPR布为纤维增强复合材料。

10.根据权利要求9所述的约束方形混凝土柱的制备方法，其特征在于，所述步骤S3-1包括：S3-11.搭建钢筋骨架；S3-12.在钢筋骨架内灌入混凝土完成混凝土柱的制备。