張 弦 波

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 金華 321007)

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PET材料對雙層鋼管混凝土柱軸壓承載力提升研究★

張 弦 波

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 金華 321007)

從改善結(jié)構(gòu)延性的角度，系統(tǒng)地研究了外包PET材料的雙層鋼管混凝土柱的力學(xué)性能，并通過試驗得到了其軸壓承載力增長的現(xiàn)象和規(guī)律，將試驗研究結(jié)果與試驗前理論計算結(jié)果進行了對比，驗證了理論計算公式的準(zhǔn)確性。

PET材料，鋼管混凝土柱，軸壓承載力，延性

0 引言

自從我國開始引入鋼管混凝土后，至今已有半個多世紀的時間，隨著我國工程技術(shù)的迅猛發(fā)展及科研人員的深入研究，其在我國的應(yīng)用范圍也越來越廣，在各個工程領(lǐng)域都予以使用。在一些特殊的工程應(yīng)用中，設(shè)計研究人員將雙層鋼管中心部分的混凝土去除，以便減輕結(jié)構(gòu)自重，空心的鋼管混凝土構(gòu)件就這樣誕生了；其具有自重輕、抗彎剛度大、防火性能好等特點。但是我國目前關(guān)于空心鋼管混凝土構(gòu)件的研究還不多，尤其是當(dāng)該雙層中空構(gòu)件受損導(dǎo)致承載力不夠需要加固時的研究更是寥寥無幾。本文主要就采用PET材料從外部封閉該構(gòu)件，從而達到提升雙層鋼管混凝土柱的軸壓性能效果這一方面來進行初步研究，以便作為一些參考資料用于給今后該種新型材料的進一步研究和應(yīng)用。

PET材料，全稱為聚對苯二甲酸乙二醇酯，英文名稱為Polyethylene Terephthalate，它是一種高聚物，由對苯二甲酸與乙二醇經(jīng)縮合聚合反應(yīng)后得到。在以往的生產(chǎn)生活中大多用于食品包裝；但隨著近些年國際上對PET的進一步研究，逐漸將其應(yīng)用到土木工程方面，作為一種新型的FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastic纖維增強復(fù)合材料，簡稱FRP)使用。分別將PET和CFRP(碳纖維)材料外包在雙層鋼管混凝土柱外側(cè)，通過試驗結(jié)果，研究其對鋼管混凝土柱的軸壓承載力的影響情況，并與相關(guān)文獻所推薦的理論計算方法所得數(shù)值進行對比分析，驗證本次試驗之前所采用理論計算的公式的準(zhǔn)確性。

1 試驗概況

1.1 試驗構(gòu)件及儀器

本次軸壓試驗采用6根制作好的雙層中空鋼管混凝土柱：試件采用內(nèi)外雙層鋼管，雙層鋼管內(nèi)部為C30混凝土，內(nèi)層鋼管內(nèi)部留空；外層鋼管外側(cè)分別包裹PET材料和CFRP材料，以便得出外包PET及CFRP材料的雙層鋼管混凝土柱軸壓承載力數(shù)據(jù)并對比分析得出結(jié)論。各試件的主要信息詳見表1，表1中的鋼管外壁厚度為鋼材原材料實測值。

表1 各試件基本參數(shù)及編號 mm

本次試驗所用壓力機YAW-5000J微機控制電液伺服壓力試驗機。該機試驗加載量程最大值為1 000 t，上下兩端為球鉸連接。采用以計算機為核心的全數(shù)字電液伺服控制器,自動完成試驗過程。配備試驗力、位移兩個閉環(huán)控制回路，兩種控制模式之間可在任何情況下平滑切換。并且在試驗時可使用恒速率試驗力控制、恒速率位移控制、試驗力保持試驗等多種試驗?zāi)Ｊ饺我饨M合，最大程度地滿足了各類試驗方法的要求來進行試驗加載。

1.2 試驗過程及現(xiàn)象

本次試驗加載方案采用力控制的方法逐步加載，速率為1 kN/s。停止加載的指標(biāo)為試件外包材料剝離后呈現(xiàn)明顯的大變形或者試件中的鋼管破壞引起加載力下降明顯；其目的都是為了保護儀器在試驗中不受損害。

以下數(shù)據(jù)為本次試驗所要采集內(nèi)容：各試件的軸壓限值、各試件的軸向變形位移量、外層鋼管的水平和豎直應(yīng)變值、外包材料的水平應(yīng)變值。

通過分析試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，儀器顯示的加載數(shù)值持續(xù)增長直至試件外鋼管發(fā)生破裂；外包的FRP材料也出現(xiàn)隨著荷載的增加出現(xiàn)剝離到斷裂的現(xiàn)象。在外層FRP材料被破壞或剝離開試件后，試件加載數(shù)值幾乎無增長，而位移增加明顯。在FRP脫落后繼續(xù)加載出現(xiàn)部分試件外鋼管破裂的現(xiàn)象，而此時為保護儀器停止加載。在結(jié)束試驗后觀察全部試件，發(fā)現(xiàn)所有試件的內(nèi)鋼管均有屈曲現(xiàn)象，其中A,B兩根試件外側(cè)的FRP材料被拉斷，隨即產(chǎn)生過大變形破壞，但其外鋼管壁未有破裂現(xiàn)象。余下四根試件外側(cè)的FRP材料也均被拉斷，并且其外鋼管壁均產(chǎn)生破裂，引起加載數(shù)值下降并最終破壞，其中部分試件在加載過程的破壞情況見圖1。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 各構(gòu)件的力—位移曲線

通過試驗得到各試件軸向荷載—位移曲線(見圖2)，可以看出:

在加載初期，各試件的荷載—位移曲線都呈現(xiàn)線性增長，說明此時外包的PET材料對試件的軸壓承載力未產(chǎn)生影響。隨著加載數(shù)值的增大，試件逐漸進入屈服階段，表現(xiàn)出位移明顯增大而荷載增長緩慢的現(xiàn)象，說明試件進入了流塑狀態(tài)。而此時外包PET材料的試件極限位移明顯大于外包CFRP材料的試件極限位移；可以看出延性方面PET優(yōu)于CFRP，外包PET的試件其軸向承載力提升的程度超過外包CFRP的試件。

2.2 各試件軸向荷載—外鋼管應(yīng)變曲線

圖3為各試件軸向荷載—外鋼管應(yīng)變曲線(圖中的右側(cè)正值為環(huán)向應(yīng)變，左側(cè)負值為豎向應(yīng)變)，可以看出:外包PET試件的外鋼管極限應(yīng)變比外包CFRP試件外鋼管的極限應(yīng)變超出許多。

由試件的荷載與外鋼管應(yīng)變曲線還可得出結(jié)論：在豎向加載使各試件產(chǎn)生屈服現(xiàn)象后還能有比較明顯的大范圍變形，而且各試件豎向最大應(yīng)變數(shù)值均比水平應(yīng)變數(shù)值大；這說明所有的試件均有非常好的韌性和塑性用于吸收能量，并且還有著優(yōu)秀的變形性能。而且通過分析曲線特征可看出試件在受壓時的彈性和彈塑性階段顯現(xiàn)的非常明顯；試件在彈性階段的應(yīng)變與其試驗過程中的加載成正比關(guān)系，且應(yīng)變發(fā)展速度較慢；進入彈塑性階段后應(yīng)變發(fā)展速度較快而荷載增加的數(shù)值不大；這也與大多數(shù)塑性材料的受壓性能一致。

2.3 各試件軸壓承載力的理論計算與試驗數(shù)值的對比

本次試驗前利用了相關(guān)文獻和規(guī)范對試件的承載力進行了計算，該軸壓承載力計算的方法和模型可同時應(yīng)用于外包CFRP和外包PET混凝土柱的軸壓承載力這兩種試件。分別將試驗與計算整理，結(jié)果見表2。

表2 軸壓試驗結(jié)果與理論計算數(shù)據(jù)對比

從表2軸壓試驗結(jié)果與理論計算數(shù)據(jù)對比中得到，除了E號試件由于端部破壞不能采用該計算方法計算外，其他各試件的理論計算值與試驗結(jié)果的比值平均值為1.102，且沒有較大程度的差異，說明兩者之間符合的較好。而且從表2中也可以看出，外包FRP的試件對比未包FRP構(gòu)件的軸壓承載力有了較大程度的提升。其中，A,D,F試件采用的是外包PET材料，其軸壓承載力相比未包FRP構(gòu)件的軸壓承載力理論計算值提高了約有51.4%,63.2%,31.1%；B,C,E試件采用的是外包CFRP材料，其相比未包FRP的構(gòu)件的軸壓承載力理論計算值提高了大約有21.6%,55.0%,4.7%。通過比較可以得出結(jié)論，本次試驗所采用的雙層鋼管混凝土柱在外包PET材料的情況下比外包CFRP材料對其軸壓承載力的提升更顯著，在今后的科研設(shè)計工作中可以將其進一步研究設(shè)計和投入使用。

3 結(jié)語

1)雙層鋼管混凝土柱的軸向承載力在外包FRP材料(無論是PET或是CFRP)后均能顯著提高。但外包PET材料所提供更優(yōu)秀的延性，因此其對雙層鋼管混凝土柱的軸壓承載力及延性能力的提升比CFRP材料更為明顯。

2)本次試驗前進行了外包FRP材料的試件軸壓承載力理論計算，該計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近，兩者的差值大多在20%以內(nèi)，因此通過試驗驗證可以認為本次試驗前所采用的理論計算公式準(zhǔn)確性較高。

[1] 王 娟，趙均海，朱 倩，等.纖維增強復(fù)合材料—混凝土—鋼雙壁空心管短柱的軸壓承載力[J].工業(yè)建筑，2011,41(11):130-133.

[2] 梁小雨，張大偉，金偉良，等.聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維布約束中空夾層鋼管混凝土柱軸壓性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2015，36(S1):269-274.

[3] 韓林海，陶 忠，楊有福，等.新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與設(shè)計理論研究[J]．工程力學(xué)，2004，21(S1):60-89．

On promotion of axial pressure loading capacity of double-layer steel pipe concrete column with PET material★

Zhang Xianbo

(JinhuaPolytechnicCollege,Jinhua321007,China)

From proving the structure’s ductility, the paper researches the dynamic performance of the double-layer steel pipe concrete column with the contracting PET materials, concludes the increasing axial pressure loading capacity and law with the test, compares the test research results and theoretic calculation results before the test, and proves the accuracy of the theoretic calculation formula.

PET material, steel pipe concrete column, axial pressure loading capacity, ductility

1009-6825(2017)11-0031-03

2017-02-07★:2015年度金華市科學(xué)技術(shù)研究計劃項目(2015-3-051)

張弦波(1982- )，男，講師

TU311

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