1 引言

       通過FRP對(duì)混凝土的約束作用，可以顯著地提高其承載力和延性。FRP約束混凝柱的應(yīng)用方式主要兩種：一種是用于舊有結(jié)構(gòu)的維修加固，另一種是用于新建結(jié)構(gòu)中。為了合理對(duì)FRP約束混凝土柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定混凝土柱的承載力和延性的提高效果是很重要的。早期有些學(xué)者直接引用鋼筋約束混凝土的模型或鋼管混凝土的模型來預(yù)測(cè)FRP約束混凝土柱的性能，結(jié)果表明，計(jì)算存在較大的誤差。這主要是因?yàn)榧s束機(jī)理的不同，鋼材是彈塑性材料，在鋼材屈服后，其應(yīng)力保持不變，而應(yīng)變?nèi)匀豢梢岳^續(xù)增加；而FRP是線彈性材料，在構(gòu)件發(fā)生破壞之前，其應(yīng)力和應(yīng)變一直處于增加狀態(tài)。

       由于鋼材和FRP約束機(jī)理的不同，因此必需建立適合于FRP約束混凝土柱的計(jì)算模型。國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)此開展了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，建立了相應(yīng)的計(jì)算模型。但這些模型只是考慮影響FRP約束混凝土柱力學(xué)性能一種因素或幾種因素的影響。本文通過對(duì)已有的大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，認(rèn)為影響FRP約束混凝土柱力學(xué)性能的因素主要有：混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、纖維復(fù)合材料（FBP）的種類、FRP的厚度和方向、環(huán)箍間距、混凝土的截面形狀、構(gòu)件的長細(xì)比和尺寸效應(yīng)、并對(duì)這些影響因素進(jìn)行綜述和分析。

2 影響FRP約束混凝土柱性能的分析

2.1 凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土柱力學(xué)性能的影響

       陳世欣對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的素混凝土柱包裹FRP的軸心受壓試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著混凝土強(qiáng)度的增加，碳纖維包裹混凝土柱的強(qiáng)度提高程度增大。當(dāng)混凝土的強(qiáng)度提高到C70時(shí)，碳纖維包裹混凝土柱強(qiáng)度提高程度有很大下降。隨著混凝士強(qiáng)度等級(jí)的增大，混凝土柱的延性系數(shù)逐漸減小，這說明混凝土柱強(qiáng)度等級(jí)增加，混凝土柱的脆性也增加。吳剛通過對(duì)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，考慮混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)FRP約束效果的影響，引入了混凝士強(qiáng)度的調(diào)整系數(shù)。D.T.Niu和F.Yu.對(duì)雙向FRP管約束混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究，分析了混凝土的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土柱強(qiáng)度提高效果的影響，結(jié)果表明，隨著混凝土強(qiáng)度的增大，F(xiàn)RP約束混凝土的強(qiáng)度提高系數(shù)逐漸減小。對(duì)于C50以下混凝土強(qiáng)度提高效果比較明顯。

2.2 纖維復(fù)合材料（FRP）種類對(duì)混凝土柱力學(xué)性能的影響

       賈明英通過15根外包碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維的混凝土圓柱軸心受壓試驗(yàn)，對(duì)3種纖維約束混凝上效果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，碳纖維、芳綸纖維試件破壞形態(tài)相似，均屬脆性破壞，破壞前沒有明顯預(yù)兆。玻璃纖維試件與前兩者不同，接近延性破壞。破壞前試件中部有肉眼可觀察到的外鼓，纖維層顏色由均勻的淡藍(lán)色變?yōu)椴灰?guī)則的局部白色，同時(shí)可聽到纖維斷裂聲音；碳纖維、芳綸纖維的混凝土圓柱強(qiáng)度和延性的提高效果明顯，而玻璃纖維混凝土圓柱的強(qiáng)度和延性的提高程度較小。Cole等研究了FRP的種類（AFRP、CFRP和GFRP）對(duì)承載力的影響，結(jié)果表明，GFRP對(duì)試件力學(xué)性能的改善最為明顯。

       吳剛通過對(duì)連續(xù)玄武巖纖維絲束纏繞與碳纖維布加固混凝土圓形柱抗震性能對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)FRP種類和用量對(duì)加固效果的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，這兩種纖維加固都可以有效提高混凝土圓柱的抗震性能，而玄武巖纖維性價(jià)比更好。

       蔣小青通過CFRP和HFRP加固混凝土圓柱的對(duì)比試驗(yàn)，研究了FRP的種類對(duì)加固效率的影響。結(jié)果表明，1C/2G柱的承載力及縱橫向極限應(yīng)變分別是3C柱的1.01倍、1.71倍和1.88倍，而加固價(jià)格僅為后者的58％。2C／3G柱的承載力以及縱橫向極限應(yīng)變分別是3C柱的1.72倍、3.28倍和3.86倍，而加固價(jià)格僅為后者的1.16倍。而且由于2C／4G柱的層間匹配更為合理，更加充分發(fā)揮了混雜效應(yīng)，其FRP橫向極限應(yīng)變?yōu)?C／2G的2.25倍，并表現(xiàn)出一定的延性。

2.3 FRP的厚度和方向?qū)炷林W(xué)性能的影響

       吳東輝通過對(duì)組合結(jié)構(gòu)軸心受壓后期強(qiáng)化段力學(xué)特征及組分材料相互約束條件的研究，歸納出FRP管與核心混凝土的軸壓極限應(yīng)力預(yù)測(cè)公式。分析了纖維的纏繞角度對(duì)組合結(jié)構(gòu)軸壓極限強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，纖維纏繞角與組合結(jié)構(gòu)軸壓極限強(qiáng)度之間呈現(xiàn)非線性變化狀態(tài)，且在不同的纏繞角度范圍內(nèi)，軸壓極限強(qiáng)度的變化趨勢(shì)不同，組合結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度極值點(diǎn)的纖維最佳纏繞角為72°。

       Mirmiran等研究FRP管（纖維纏繞方向15°）約束混凝土柱的試驗(yàn)研究，F(xiàn)RP管的厚度分別為6層、10層、14層，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著纖維材料厚度增加，試件的承載力和延性逐漸增加。

       Rochette等研究了纖維材料的厚度和截面形狀對(duì)FRP約束混凝土柱承載力影響，結(jié)果表明，纏繞5層FRP（15°／0°）試件比環(huán)向纏繞4層的試件承載力提高程度大，但是延性卻降低了。 因此，5層（15°／O°）試件的約束剛度與4層試件是大致相等的。

       當(dāng)纖維的纏繞方向與環(huán)向有一定角度時(shí)，F(xiàn)RP在軸向和環(huán)向可以提供有效的模量和強(qiáng)度，同時(shí)可以替代混凝土柱中的鋼筋。剪切裂縫經(jīng)常發(fā)生在試件的45°處，因此纏繞FRP（45°）可以有效的防止剪切破壞。由于纖維的纏繞，試件的軸向的抗壓強(qiáng)度會(huì)有一定程度的提高。
       Azadeh等采用有限元分析方法研究了FRP的厚度和纏繞方向（0°，45°）對(duì)FRP約束混凝土柱力學(xué)性能的影響，F(xiàn)RP的纏繞方式分為兩種：一種環(huán)向-角度-環(huán)向纏繞方式，另一種是角度-環(huán)向-角度。分析結(jié)果表明，對(duì)于相同厚度的FRP，環(huán)向-角度-環(huán)向的FRP，約束混凝土柱承載力比角度-環(huán)向-角度FRP約束混凝土柱承載力提高效果明顯。

2.4 環(huán)箍間距對(duì)混凝土柱力學(xué)性能的影響

       已有的研究表明，F(xiàn)RP的約束力與箍筋作用原理相似，通過拱作用對(duì)核心混凝土進(jìn)行有效約束。拱作用發(fā)生在截面內(nèi)以及條帶之間的縱向空隙處。在纖維布包裹到的截面內(nèi)，混凝土所受的約束最大，有效約束區(qū)面積最大；在相鄰條帶中間的截面上，約束作用最弱，有效約束區(qū)面積最小，且試件的極限承載力取決于最弱的截面。

       韓克雙研究了環(huán)箍間距和條帶寬度對(duì)FRP約束矩形混凝土柱力學(xué)性能的影響，條帶寬度分別為40mm、50mm、60mm，粘貼兩層碳纖維布的柱體，其強(qiáng)度分別提高了28.3％，21.6％，20.9％。可見，隨著條帶寬度的增加，其增強(qiáng)效率降低，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到纖維布兩邊容易脫絲，條帶寬度最好不要太窄。隨著條帶間距的增大，應(yīng)力一應(yīng)變曲線的下降段越來越陡，試件的極限承載力和延性越來越差。這主要是因?yàn)樵跅l帶之間未受約束的混凝土成為試件受力的薄弱環(huán)節(jié)。

       周長東研究了條帶間距和條帶寬度對(duì)FRP約束混凝土圓柱力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，條帶間距對(duì)試件的破壞形態(tài)影響較大，隨著條帶間距的增加，條帶之間空隙處混凝土的破壞剝落越明顯，約束混凝土的承載力和延性減小。而條帶間距較小的混凝土柱，在破壞的混凝土幾乎未見剝落 為考慮條帶間距和條帶寬度的影響，提出了有效約束力的計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上，建立了構(gòu)件承載力計(jì)算方法。于峰進(jìn)行了環(huán)箍間距對(duì)PVC-FRP管混凝土柱力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，隨著環(huán)箍間距的增加，試件的承載力和軸向極限應(yīng)變逐漸減小。并且為考慮環(huán)箍間距的影響，引入了環(huán)箍間距的影響系數(shù)，提出了軸壓PVC－FRP管混凝土柱承載力計(jì)算公式。

2.5 混凝土的截面形狀對(duì)混凝土柱力學(xué)性能的影響

       FRP對(duì)矩形混凝土柱的約束作用明顯小于對(duì)圓形混凝土柱的約束作用，主要是因?yàn)镕RP對(duì)矩形混凝土柱提供的約束是不均勻的，在軸向荷載作用下，由了混凝土的橫向膨脹，在矩形混凝土柱的角部容易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致FRP提前發(fā)生破壞。常用的方法是對(duì)矩形混凝土柱進(jìn)行倒角處理。

       Pessiki等通過試驗(yàn)探討了截面形式（圓形和方形）對(duì)FRP約束混凝土柱的力學(xué)性能影響，結(jié)果表明，F(xiàn)RP矩形混凝土提供的約束是不均勻的，矩形柱角部FRP的應(yīng)力大于各邊FRP的應(yīng)力，這主要是因?yàn)楦鬟匜RP的應(yīng)力是由于受彎作用產(chǎn)生的，而FRP約束混凝土圓柱中RP的應(yīng)力是由受拉作用而產(chǎn)生的。為考慮矩形截面對(duì)約束效果的影響，引入截間形狀系數(shù)。J.G.Teng研究了FRP約束橢圓形混凝土柱的受壓性能，研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP約束混凝土柱的極限抗出強(qiáng)度和極限應(yīng)變與FRP的厚度和橢圓形混凝土柱的長軸和短袖的比值有關(guān)，隨著長軸和短軸比值的增大，約束效果逐漸降低。為考慮橢圓形長軸和短軸對(duì)約束效果的影響，引入橢圓形混凝士柱的截面形狀系數(shù)。
    Seible等研究了混凝土柱的截面形狀對(duì)FRP約束效果的影響，認(rèn)為矩形截面的形狀系數(shù)不小于0.5，纏繞FRP的厚度不大于1.5mm，倒角的半徑大于52mm。潘景龍通過圓形、矩形、矩形倒角和矩形改成橢圓形截面的混凝土柱經(jīng)FRP包裹后的軸壓試驗(yàn)，證實(shí)圓形與橢圓形截面柱能較好地利用FRP的抗拉能力，獲得良好的加固效果。其原因在于這些截面形狀的周邊從受荷開始就存在側(cè)向約束作用。Cole等進(jìn)行了22個(gè)矩形截面FRP約束混凝土柱的力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，研究了截面類型、截面高寬比、轉(zhuǎn)角半徑等參數(shù)對(duì)承載力影響。結(jié)果表明，隨著截面高寬比的增大和轉(zhuǎn)角半徑的減小、FRP的約束作用降低，F(xiàn)RP約束混凝土柱的極限應(yīng)力和應(yīng)變減小。

2.6 長細(xì)比和尺寸效應(yīng)對(duì)混凝土柱力學(xué)性能的影響

       Pessiki等通過試驗(yàn)研究了圓形（直徑152mm，高610mm；直徑508mm，高1830mm）和方形（邊長152mm，高610mm；邊長457mm，高1830mm）截面尺寸效應(yīng)對(duì)FRP約束混凝土柱力學(xué)性能影響，結(jié)果表明，圓形小柱承載力和極限應(yīng)變分別提高1.28－2.44倍和5.91－7.59倍，圓形大柱承載力和極限應(yīng)變分別提高了112－152倍和］55－565底A形小柱承載力和極限應(yīng)變分別提高了1.19－2.09倍和1.43－8.1倍，方形大柱的承載力和極限應(yīng)變分別提高了1.16－1.19倍和O.84－1.32倍。由此可見，隨著截面尺寸的增加，混凝土的承載力和極限應(yīng)變的提高程度逐漸減小，F(xiàn)RP的約束效率逐漸降低。

       Fam等進(jìn)行的軸壓試驗(yàn)主要是考察長細(xì)比對(duì)GFRP管約束混凝土柱力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件相同的情況下，含F(xiàn)RP率為6.19％的GFRP管約束混凝土試件的極限強(qiáng)度同含鋼率為9.91％鋼管混凝土柱相同，說明GFRP管對(duì)核心混凝土能提供有效的約束，同時(shí)能減少構(gòu)件的自重。隨著長細(xì)比的增加，GFRP管約束混凝土柱的極限承載力隨之下降。Mirmiran進(jìn)行了3種徑厚比（＝100、65.6、48.8）和4種長細(xì)比（= 2、3、4、5）共 24個(gè)GFRP管混凝土圓柱的軸壓實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著長細(xì)比的增大，試件極限承載力有下降的趨勢(shì)，這主要是由于長細(xì)比的增大，初始缺陷造成的試件質(zhì)心和截面中心位置的偏差的影響更為顯著。當(dāng)時(shí)，試件的極限承載力下降了18％。

       潘景龍等進(jìn)行了長細(xì)比為4.5-17.5矩形截面經(jīng)圓弧化處理、外包FRP后的鋼筋混凝土柱的軸心受壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，長細(xì)比對(duì)FRP約束混凝土柱的穩(wěn)定承載力影響遠(yuǎn)比螺旋箍筋柱和普通鋼筋混凝土柱嚴(yán)重，但當(dāng)長細(xì)比不大于17.5時(shí)，其穩(wěn)定承載力仍比未包裹柱高20％以上。

       陶忠等以長細(xì)比和偏心率為變化參數(shù)，共進(jìn)行了16個(gè)圓形截面鋼筋混凝圖柱試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，由于FRP的約束作用，包裹FRP試件比相應(yīng)未包裹FRP試件的承載力提高14％－68％，同時(shí)延性也有不同程度提高。但文獻(xiàn)并未給出長細(xì)比與FRP約束鋼筋混凝士柱承載力之間的具體關(guān)系。于峰調(diào)過對(duì)國內(nèi)外已有的FRP約束混凝土柱中長柱試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了極限承載力的穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算公式，公式的計(jì)算值與現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

3 FRP約束混凝土柱有待解決問題

     （1）FRP約束混凝土柱是由FRP和混凝土兩種材料組成的，F(xiàn)RP和混凝土的性能直接影響FRP的約束效果。需進(jìn)一步建立混凝土的強(qiáng)度等級(jí)與約束效率之間的具體數(shù)學(xué)關(guān)系；確定最佳FRP的厚度、混雜纖維的搭配形式和FRP纏繞的角度。

     （2）與其他結(jié)構(gòu)形式相同，F(xiàn)RP約束混凝土柱的影響因素需通過結(jié)構(gòu)模型來進(jìn)行，現(xiàn)有的大多數(shù)模型在按比例縮小的試件的試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的，當(dāng)試件尺寸變大時(shí)，F(xiàn)RP的約束效應(yīng)隨之發(fā)生改變，這樣會(huì)造成與實(shí)際的結(jié)構(gòu)不符。因此，進(jìn)一步研究大比例試件的力學(xué)性能，確定尺寸效應(yīng)對(duì)試件性能的影響。

     （3）FRP和混凝土之間的粘結(jié)性能研究。FRP和混凝土之間的可靠粘結(jié)是共同工作的基礎(chǔ)，在進(jìn)行力學(xué)性能和抗震性能研究時(shí)，必需考慮FRP和混凝土之間的粘結(jié)滑移。

     （4）進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)長期荷載以及其它偶然荷載作用下FRP約束混凝土柱力學(xué)性能研究，確定各參數(shù)對(duì)其性能的影響規(guī)律。

4 結(jié)語

       本文對(duì)影響FRP約束混凝土柱力學(xué)性能的影響因素進(jìn)行了簡要的總結(jié)。隨著對(duì)FRP約束混凝土柱性能的影響因素的深入研究，建立考慮各影響因素的合理計(jì)算模型，為進(jìn)一步進(jìn)行FRP約束混凝土的設(shè)計(jì)提供有益的參考。