張 霓，王連廣，韓華鋒（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，110819沈陽）

GFRP管混凝土柱的GFRP管拼接方法

張 霓，王連廣，韓華鋒
（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，110819沈陽）

為解決實(shí)際工程中GFRP管長度不足的問題，需要將兩個(gè)或兩個(gè)以上GFRP管拼接起來，并保證拼接處的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了基于鋼筋、鋼板錨筋及鋼管連接件的拼接GFRP管鋼筋混凝土試件，并通過試驗(yàn)，研究了拼接GFRP管鋼筋混凝土軸心受壓性能.試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)加載到35%Pu（極限荷載）左右時(shí)，在GFRP管的表面出現(xiàn)白紋；當(dāng)加載到65%Pu左右時(shí)，GFRP管開始產(chǎn)生套箍約束作用，繼續(xù)加載，套箍約束作用繼續(xù)存在.拼接試件的破壞以GFRP管的斷裂為標(biāo)志，破壞發(fā)生在距構(gòu)件端部250 mm處，而對比試件的破壞發(fā)生在沿試件長度方向的中間位置；試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的3種連接方式均能夠保證拼接GFRP管鋼筋混凝土軸心受壓試件正常工作.

GFRP管；混凝土；連接件；拼接；軸心受壓

拼接GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件是在整體構(gòu)件內(nèi)部布置帶有箍筋的縱向鋼筋，并在兩個(gè)GFRP管拼接處設(shè)置連接件，再在GFRP管內(nèi)澆注混凝土而形成的一種拼接GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件.GFRP管可以有效約束核心混凝土，提高混凝土的強(qiáng)度和延性；GFRP管還可作為混凝土施工時(shí)的模板，加快施工進(jìn)度；GFRP管具有耐腐蝕性能，能抵抗惡劣環(huán)境的影響，可用于高腐蝕的環(huán)境中，還可以改善混凝土的耐久性及防止鋼筋銹蝕.近年來，GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件常用于建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和橋梁工程中［1－5］，由于GFRP管的長度不足，常常需要將兩個(gè)或兩個(gè)以上的GFRP管拼接起來，再在其內(nèi)部澆注混凝土，形成一個(gè)連續(xù)GFRP管混凝土構(gòu)件，拼接處成為整體連續(xù)構(gòu)件的關(guān)鍵部位，拼接處的受力性能要好于連續(xù)整體構(gòu)件的受力性能.

目前，國內(nèi)外關(guān)于GFRP管鋼筋混凝土組合構(gòu)件的性能研究相對較多，而對拼接GFRP管鋼筋混凝土組合構(gòu)件的力學(xué)性能研究相對較少.文獻(xiàn)［6］采用0.6 m長的短鋼管，鋼管外徑與FRP管內(nèi)徑相同，將3個(gè)4.6 m長單元拼接成13.7 m長FRP管混凝土樁，試驗(yàn)結(jié)果表明這種拼接方式可以保證FRP管混凝土樁正常工作；文獻(xiàn)［7］將4 m和5.8 m長的兩部分拼接成9.1 m長的FRP管混凝土樁，其中0.6 m長的凹凸拼接重疊部分，拼接部分的FRP管厚度為管壁厚度的1／2，重疊區(qū)域在現(xiàn)場安裝前用環(huán)氧樹脂潤濕，采用這種拼接方式要在打樁之前完成，不能在打樁過程中拼接；文獻(xiàn)［8］將4個(gè)外徑357 mm，長13.7 m的FRP管混凝土樁（包括1個(gè)拼接樁）打入地下后拔出，并測試其性能，拼接樁是由10.7 m和3 m長的兩部分拼接而成，拼接接頭是2個(gè)50 mm厚的圓板，將8根直徑19 mm、長2.7 m的鋼筋端部擰入圓板上螺紋孔中，每個(gè)板安裝在一個(gè)GFRP管端部，并填充混凝土.每個(gè)板四周有4個(gè)T型槽，將2個(gè)板的T型凹槽對準(zhǔn)以形成I型槽，將一個(gè)I型鑰匙插入連接接頭固定.試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)械接頭表現(xiàn)良好，承載力比FRP樁高7%；文獻(xiàn)［9］進(jìn)行了4根拼接梁的試驗(yàn)研究，拼接梁采用2個(gè)312 mm外徑，1.1 m長的部分拼接而成，其中3根為內(nèi)部拼接，分別用鋼筋、FRP筋及無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋；第4根為外部拼接，采用在管道行業(yè)中常用的FRP插座.研究結(jié)果表明，如果對灌漿質(zhì)量進(jìn)行控制，內(nèi)部連接件可以提高拼接梁的剛度和強(qiáng)度，外部連接件取決于其連接剛度.在國內(nèi)，文獻(xiàn)［10］對鋼筋拼接GFRP管混凝土組合構(gòu)件的軸壓性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分別采用4、6、8根鋼筋連接，試驗(yàn)結(jié)果表明縱筋對連接處變形基本沒有影響，拼接試驗(yàn)連接處未破壞，采用4根鋼筋連接即可保證拼接GFRP管混凝土軸心受壓構(gòu)件正常工作；文獻(xiàn)［11］對基于鋼板鋼筋連接的拼接GFRP管混凝土組合構(gòu)件的抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，建議連接處最小含鋼率取1.96%.拼接GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件的拼接處受力相對連續(xù)整體更為復(fù)雜，為此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要保證拼接處的受力性能要比連續(xù)整體部分好，才能保證拼接GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件在使用中達(dá)到理想狀態(tài).基于此，本文根據(jù)GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于鋼筋、鋼板錨筋及鋼管作為拼接處連接件，以此制作了拼接GFRP管鋼筋混凝土試件，通過試驗(yàn)，研究其在軸心受壓下的工作機(jī)理和破壞模式，并對其力學(xué)性能進(jìn)行了分析.

1 試 驗(yàn)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5根GFRP管鋼筋混凝土試件，其中，1根基于鋼筋連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土試件（GRCS－1），1根基于鋼板鋼筋連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土試件（GRCSP－2），2根基于鋼管連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土試件（GRCST－3和GRCST－4），1根連續(xù)整體的GFRP管鋼筋混凝土對比試件（GRC－5）.試驗(yàn)所用的GFRP管的內(nèi)直徑為200 mm，管壁厚度為5.5 mm，GFRP管的實(shí)測性能參數(shù)見表1.

表1 GFRP管材料性能參數(shù)表

試件的總高度為700 mm（2根350 mm長的管拼接而成）.試驗(yàn)所用的混凝土150 mm立方體試塊的抗壓強(qiáng)度為40.8 MPa.鋼筋連接件的縱筋4Φ14，箍筋?8＠50；鋼板錨筋連接件是在直徑210 mm的鋼板兩面上焊接長度為300 mm的鋼筋，鋼板上留有4個(gè)孔洞（受力鋼筋由此孔穿入）；鋼管連接件的鋼管的外徑為113 mm，管壁厚度為3.5 mm.所有試件均設(shè)有4根通長Φ14縱筋，箍筋為?8＠150，鋼筋及鋼管的實(shí)測力學(xué)性能見表2.

表2 鋼筋性能參數(shù)表

試驗(yàn)前，按設(shè)計(jì)要求制作GFRP管、連接件及鋼筋籠，并在設(shè)計(jì)的位置上粘貼應(yīng)變片.GFRP管及連接件形式，如圖1所示，各試件的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，見表3.

試件制作過程：1）基于鋼筋連接的試件制作：首先按設(shè)計(jì)要求制作受力鋼筋，長度為700 mm，縱筋為4Φ14，在受力鋼筋中部300 mm范圍內(nèi)采用?8箍筋加密，間距為50 mm，并在兩端部各加2道，間距50 mm.將制作好的鋼筋籠放置在拼接的兩個(gè)GFRP管內(nèi)，再在GFRP管內(nèi)灌注混凝土.在實(shí)際工程中，按設(shè)計(jì)要求確定用于拼接的GFRP管的長度，制作受力鋼筋，并綁扎鋼筋籠，在連接處將用于連接的鋼筋固定在受力鋼筋籠上，安裝并固定下部GFRP管，將帶有鋼筋連接件的鋼筋籠放入下部GFRP管中，并固定其位置，然后安裝上部GFRP管，保證GFRP管上下位置對準(zhǔn)，封閉連接處避免漏漿，再在上部GFFP管內(nèi)灌入混凝土.2）基于鋼板錨筋連接的試件制作：制作受力鋼筋，長度為700 mm，縱筋為4Φ14，先將其中1／2綁扎上箍筋，箍筋為?8，間距150，50 mm兩種.制作鋼板錨筋連接件，按設(shè)計(jì)要求，在直徑為210 mm的鋼板兩面（反正面）上焊接長度為300 mm的鋼筋，鋼板上留有4個(gè)孔洞（受力鋼筋從此孔穿入）.將帶有1／2箍筋的鋼筋籠（綁扎好箍筋的放在下面）放入其中一個(gè)GFRP管內(nèi)，在GFRP管內(nèi)灌滿混凝土，將鋼板錨筋連接件放在灌滿混凝土的GFRP管上（縱向受力鋼筋穿過鋼板孔），綁扎另1／2受力鋼筋的箍筋，再將另一個(gè)GFRP管放在鋼板上，并灌滿混凝土.在實(shí)際工程中，按設(shè)計(jì)要求確定用于拼接的GFRP管的長度，制作受力鋼筋（按下部GFRP長度，在受力鋼筋下部綁扎箍筋），制作鋼板錨筋連接件，在鋼板上預(yù)留穿入受力鋼筋的孔洞（受力鋼筋從此孔穿入鋼板），安裝并固定下部GFRP管，并將綁扎的鋼筋籠放入下部GFRP管中，安裝上部GFRP管，從上部GFRP管往下灌注混凝土，當(dāng)灌至連接處時(shí)，將上部GFRP管取下，將鋼板錨筋連接件放在灌入混凝土的下部GFRP管上（縱向受力鋼筋穿過鋼板孔），綁扎上部受力鋼筋，安裝上部GFRP管，封閉連接處避免漏漿，在上部GFRP管內(nèi)灌入混凝土.3）基于鋼管連接的試件制作：首先制作鋼筋籠（縱筋為4Φ14，箍筋?8＠150，并在兩端部各加2道，間距50 mm）和鋼管連接件（長度為100，200 mm兩種），將兩個(gè)GFRP管拼接在一起，將制作好的鋼筋籠放入GFRP管中，在GFRP管內(nèi)灌入混凝土，在接近灌滿下面的GFRP管時(shí)，將準(zhǔn)備好的鋼管連接件放入GFRP管內(nèi)部，保證鋼管1／2在下部GFRP管混凝土內(nèi)，繼續(xù)灌入混凝土至上部GFRP管灌滿.在實(shí)際工程中，按設(shè)計(jì)要求確定用于拼接的GFRP管的長度，制作受力鋼筋，并綁扎鋼筋籠，在連接處將用于連接的鋼管焊接在受力鋼筋籠上，安裝下部GFRP管，將帶有鋼管連接件的鋼筋籠放入下部GFRP管中，并固定其位置，然后安裝上部GFRP管，保證GFRP管上下位置對準(zhǔn)，封閉連接處避免漏漿，再在上部GFFP管內(nèi)灌入混凝土.

圖1 GFRP管及連接件形式

表3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼筋及鋼板錨筋連接件按GFRP管混凝土偏心受壓構(gòu)件，配置縱向受力鋼筋用量，按鋼筋與混凝土錨固長度確定鋼筋長度，按構(gòu)造和箍筋約束混凝土的作用機(jī)理確定箍筋間距.鋼管連接件按鋼管混凝土偏心受壓來確定，按套箍作用確定鋼管的直徑，按端部效應(yīng)確定鋼管的長度.

試驗(yàn)前，在GFRP管的中部及上下1／4截面位置處分別粘貼應(yīng)變片，以測量GFRP管的環(huán)向和縱向應(yīng)變.為了防止試件端部破壞，在端部設(shè)置了鋼管夾具，以防端部應(yīng)力集中使端部發(fā)生局部破壞，如圖2所示.試驗(yàn)所采用的受壓方式為核心混凝土和GFRP管共同承壓，試驗(yàn)在5 000 kN試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載采用單調(diào)分級(jí)加載方式.

圖2 試件與測試

2 結(jié)果和分析

2.1 破壞模式

在荷載作用初期，GFRP管與內(nèi)部鋼筋、鋼管及混凝土變形都很小，試件處于彈性受力工作階段.當(dāng)加載到35%Pu（極限荷載）左右時(shí)，GFRP管的表面開始出現(xiàn)白色條紋；繼續(xù)加載到45%Pu時(shí)，條紋變得比較明顯；荷載繼續(xù)增加，GFRP管表面的纖維顏色逐漸變得不規(guī)則，并隨荷載的增加，白色條紋的范圍也在不斷地向外擴(kuò)展；當(dāng)加載到80%Pu左右時(shí)，可以偶爾聽到GFRP管纖維斷裂和樹脂開裂的聲音.在荷載達(dá)到極限荷載Pu（GRCS－1：2 700 kN；GRCSP－2：2 900 kN；GRCST－3：2 870 kN；GRCST－4：2 810 kN；GRC－5：2 800 kN）時(shí)，伴隨著較大的響聲，在距離端部250 mm處（GRCS－1：距離下端250 mm；GRCPS－2：距離下端200 mm；GRCST－3：距離上端250 mm；GRCST－4：距離上端250 mm；GRC－5：沿試件長度方向的中部），GFRP管的纖維開始發(fā)生斷裂，并沿著纖維方向從斷裂的位置向兩側(cè)迅速剝離、擴(kuò)展.試件GRCS－1、GRCSP－2和GRCST－3的中部拼接處沒有發(fā)生破壞，試件GRCST－4的拼接處幾乎同時(shí)發(fā)生破壞，而對比試件的破壞發(fā)生在沿試件長度方向的中間位置.說明，利用鋼筋、鋼板錨筋及鋼管連接均能夠保證拼接GFRP管鋼筋混凝土軸心受壓試件正常工作，而200 mm長鋼管的連接性能比100 mm長鋼管的連接性能好，原因是200 m長的管對混凝土的約束范圍大，使內(nèi)部混凝土受力更加均勻.試件破壞模式，如圖3所示.

圖3 試件的破壞模式

圖4 荷載與變形關(guān)系曲線

2.2 荷載與變形

由試驗(yàn)得到試件的荷載與變形關(guān)系曲線，如圖4所示.由圖4可以看出，在荷載達(dá)到極限荷載以前，各試件的荷載與變形關(guān)系曲線基本相似，均呈非線性關(guān)系；當(dāng)加載到65%Pu左右時(shí)，荷載與變形關(guān)系曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，變形增長速度明顯大于荷載增長速度，此時(shí)試件變形分別為6.1、6.6、5.0、4.6、3.4 mm.繼續(xù)加載到極限荷載時(shí)，試件最大變形依次為15.0、20.8、17.8、15.4、12.9 mm.各試件的荷載與變形關(guān)系曲線類似，承載力相近.說明鋼筋、鋼板錨筋及鋼管連接方式對拼接試件承載力基本沒有影響，3種連接方式均能保證拼接試件正常工作.

2.3 荷載與應(yīng)變

由試驗(yàn)得到試件的GFRP管、鋼管內(nèi)部鋼筋及箍筋的荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖5所示.

圖5 試件的荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖5（a）可知，在加載初期，各個(gè)試件中GFRP管的荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出明顯的線性，說明試件處于彈性工作階段，此階段混凝土產(chǎn)生的橫向變形較小，GFRP管的彈性模量較低，對核心混凝土幾乎沒有約束作用；當(dāng)加載到65%Pu左右時(shí)，GFRP管應(yīng)變的增長速度大于荷載的增長速度，此階段混凝土橫向變形增加導(dǎo)致混凝土與GFRP管之間產(chǎn)生徑向壓力，GFRP管對核心混凝土產(chǎn)生約束作用；繼續(xù)加載，GFRP管的荷載與應(yīng)變曲線大致呈線性變化，說明GFRP管對內(nèi)部混凝土繼續(xù)產(chǎn)生約束作用，拼接處的連接件種類對GFRP管鋼筋混凝土拼接試件環(huán)向、縱向的影響很小.由圖5（b）可知，在加載初期，鋼管的荷載與環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出明顯的線性，當(dāng)加載到55%左右時(shí)，鋼管的環(huán)向變形開始呈非線性增長.當(dāng)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，試件GRCST－3中鋼管的環(huán)向未屈服，而GRCST－4的環(huán)向已經(jīng)屈服；在加載初期，鋼管的荷載與縱向應(yīng)變關(guān)系曲線呈線性，當(dāng)加載到65%Pu左右時(shí)，鋼管的縱向應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，應(yīng)變隨荷載的增加而迅速增加，在達(dá)到極限荷載時(shí)，鋼管的縱向均已屈服.由圖5（c）、（d）可知，在加載初期，縱向受力鋼筋中部的荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線呈線性關(guān)系，繼續(xù)加載，應(yīng)變增長速度明顯大于荷載增長速度，說明此時(shí)試件已經(jīng)進(jìn)入彈塑性階段，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，試件GRCS－1、GRCSP－2中縱筋已經(jīng)屈服.試件GRCS－1、GRCSP－2、GRCST－3和試件GRCST－4中箍筋的荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線與對比件GRC－5中箍筋的荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線基本相似.在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，各試件的箍筋均已屈服.

由此可以看出，鋼筋、鋼板錨筋及鋼管3種連接方式均能保證拼接GFRP管鋼筋混凝土軸壓試件正常工作，鋼筋連接與鋼板錨筋連接受力機(jī)理類似，但鋼板錨筋連接件的制作比較復(fù)雜，鋼管連接對拼接處混凝土的約束作用優(yōu)于鋼筋及鋼板錨筋連接，所以在實(shí)際工程中推薦采用鋼管連接的方式.

3 承載力計(jì)算

在軸向荷載作用下，拼接GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞位置可能發(fā)生在拼接處或是非連接處，因此對于不同破壞位置給出相應(yīng)的計(jì)算公式.

1）GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件（對比件）.

拼接GFRP管混凝土構(gòu)件在軸壓下的承載力計(jì)算為

式中：fc，f為受GFRP管約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；Ac為受GFRP管約束混凝土截面面積；fc，s為受箍筋約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；Acs為受箍筋約束混凝土截面面積；σf2為GFRP管軸向強(qiáng)度；Af為GFRP管的截面面積；fs為縱向鋼筋的屈服強(qiáng)度；As為縱筋總截面面積.

2）基于鋼筋連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件.

此種情況連接處和非連接處公式相同（同GFRP管鋼筋混凝土對比件，即式（1）），但縱筋數(shù)量不同.

3）基于鋼板錨筋連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件.

此種情況連接處和非連接處公式相同（同GFRP管鋼筋混凝土對比件，即式（1）），但縱筋數(shù)量不同.

4）基于鋼管連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土構(gòu)件.

①連接處.此種情況考慮鋼管、GFRP管、縱筋和箍筋的共同作用，承載力計(jì)算為

式中：fc，t為鋼管約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；Act為受鋼管約束的混凝土截面面積.

②非連接處（同GFRP管鋼筋混凝土對比件，即式（1））.

為了驗(yàn)證建立的拼接GFRP管鋼筋混凝土組合構(gòu)件軸壓承載力公式的正確性，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，見表4.計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比值的平均值為0.974，比值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.036，說明計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.

表4 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

1）當(dāng)加載到35%Pu左右時(shí)，在GFRP管的表面出現(xiàn)白紋；當(dāng)加載到65%Pu左右時(shí)，GFRP管開始產(chǎn)生套箍約束作用，繼續(xù)加載，套箍約束作用繼續(xù)存在.

2）拼接試件的破壞以GFRP管的斷裂為標(biāo)志，破壞發(fā)生在距構(gòu)件端部250 mm處，而對比試件的破壞發(fā)生在沿試件長度方向的中間位置.

3）試驗(yàn)設(shè)計(jì)的鋼筋、鋼板錨筋和鋼管連接方式均能夠保證拼接GFRP管鋼筋混凝土軸壓試件正常工作，3種連接方式對GFRP管鋼筋混凝土拼接試件承載力影響不明顯，而200 mm長的鋼管的連接性能比100 mm長鋼管的連接性能好，在實(shí)際工程中推薦采用鋼管連接的方式.

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（編輯 張 紅）

GFRP tube splicing method of GFRP concrete column

ZHANG Ni，WANG Lianguang，HAN Huafeng
（College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，110819 Shenyang，China）

In order to solve the problem of GFRP tube in practical engineering，two or more than two GFRP tubes were spliced together and the mechanical properties of the joint were guaranteed.The experimental research on the mechanical property of continuous reinforced concrete?filled GFRP tubular specimen and splicing composite columns connected with steel bars，steel plates and steel tubes subjected to axial loading was conducted，and the results showed thatthe white stripes appeared on the surface of GFRP tube when the load respectively reached about 35%Pu（Pu?limit load），and the confinement effect of GFRP tube began to produce when the load reached 65%Pu. With continued loading，the confinement effect still existed，and the failure of splicing specimens with GFRP tube was a symbol，and the splicing specimens occurred near the end of connectors around 250 mm.Relatively，the failure of the continuous specimen occurred in the middle position along the length direction of the specimen.The chosen connecting ways with three methods could ensure the normal work of splicing reinforced concrete?filled GFRP tubular composite columns under axial compression.

GFRP tube；concrete；connection；splicing；axial compression

TU398

A

0367－6234（2015）10－0064－06

10.11918／j.issn.0367?6234.2015.10.013

2014－07－10.

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（120401010）.

張 霓（1985—），女，博士研究生；王連廣（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

張 霓，13066758899＠163.com.