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(大連海事大學交通運輸工程學院， 遼寧大連116026)

0 引言

CFRP—鋼管約束混凝土構(gòu)件是由核心混凝土、鋼管和CFRP三種材料復(fù)合形成的組合構(gòu)件，核心混凝土在鋼管內(nèi)，碳纖維黏貼在鋼管外側(cè)。在實際工程中鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的主要受力方式有三種,如圖1。

圖1工程中常見的鋼管混凝土加載方式
Fig.1Threetypesofaxialcompressionforconcretefilledsteeltube

其中A式加載指鋼管與混凝土端面齊平，軸向荷載同時作用于混凝土與鋼管端面；B式加載指荷載直接作用于混凝土,鋼管不參與軸向承載，僅起到約束混凝土的作用；C式加載指鋼管端面高于混凝土端面，加載初期鋼管先受到軸向壓力，鋼管受壓與核心混凝土端面齊平后，方與核心混凝土共同承載[1]。三種加載方式中B式加載受力狀態(tài)最為明確，鋼管始終約束混凝土，僅存在環(huán)向應(yīng)力；A式和C式加載中鋼管在加載初期因受力膨脹快與混凝土分離，進入到加載后期才對混凝土起到套箍作用[2]。傳統(tǒng)的鋼管混凝土被廣泛應(yīng)用于多層工業(yè)廠房柱、地鐵站臺柱、設(shè)備構(gòu)架柱中，引入FRP后纖維增強材料代替部分鋼材減輕構(gòu)件自重，約束核心混凝土提高構(gòu)件強度和延性，同時防止鋼管屈曲和腐蝕，具有較好的耐火性能，彌補了鋼管混凝土構(gòu)件的不足[3]，可應(yīng)用于跨海大橋橋墩、高層建筑樁基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)中，發(fā)展前景廣闊。

目前國內(nèi)外學者對FRP鋼管混凝土構(gòu)件的基本力學性能展開了深入的研究，研究方式主要集中在力學試驗、有限元模擬和理論計算三種。主要的研究內(nèi)容有FRP鋼管混凝土構(gòu)件的滯回性能[4]、耐火性能[5]、抗沖擊性能[6]、抗壓[7]和抗彎性能[8]等，得到了構(gòu)件核心混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線[9]、構(gòu)件的滯回曲線、構(gòu)件沖擊力大小的影響因素、構(gòu)件的極限抗壓承載力簡化計算公式和極限抗彎承載力相關(guān)計算公式等一系列成果?，F(xiàn)階段對構(gòu)件的軸壓承載力試驗研究主要集中在A式加載[10-11],部分學者對方形截面CFRP鋼管混凝土構(gòu)件進行了軸壓性能研究[12-13]，而B式加載方式下構(gòu)件的力學性能研究相對缺乏,故本文主要針對B式加載下CFRP—鋼管約束混凝土短柱的軸壓性能展開試驗研究,同時做A、B式加載的對比實驗，通過試驗探究材料性能和力學參數(shù)對整體構(gòu)件極限軸壓承載力的影響。

1 試驗設(shè)計

1.1 試件尺寸和材料概況

本次試驗一共制作了24根試件，分兩次進行制備。第一次制作了18根試件，全部進行B式(僅在核心混凝土施加軸壓)加載試驗。第二次制作了6根試件，分別進行A式(全截面施加軸壓)和B式(僅在核心混凝土施加軸壓)加載試驗。CFRP是由碳纖維布和樹脂膠組成的復(fù)合材料，其力學性能參數(shù)如表1所示。鋼管型號為Q235熱鍍鋅鋼管,混凝土強度為C30、C40和C50,采用普通硅酸鹽水泥(符合GB175-2007),混凝土配合比如表2所示。

表1 碳纖維布和樹脂膠的性能指標Tab.1 Mechanical property of carbon fiber and polymer glue

表2 混凝土用料配合比Tab.2 Concrete mixture proportion

圖2 構(gòu)件立面和剖面圖Fig.2 Elevation and profile of component

為了使試件兩端保持平整，在試件的兩端粘貼與鋼管內(nèi)徑尺寸相同且厚度為10 mm的承壓板，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。試件的立面、剖面簡圖如圖2所示。

本次試件均采用圓截面，試件編號為A-t-H-n，其中A代表加載方式(A式加載和B式加載),t代表鋼管壁厚度(1.2 mm和1.5 mm),H代表混凝土強度(C30、C40、C50)，n代表CFRP的層數(shù)(0、1、2)。L代表試件長度，D代表鋼管外直徑,d代表單層CFRP的厚度，ξs代表鋼管約束效應(yīng)系數(shù)，ξf代表CFRP約束效應(yīng)系數(shù)。第一批次試件的基本尺寸參數(shù)如表3所示。

表3 試件的基本尺寸參數(shù)Tab.3 Size parameters of specimens

1.2 試件制備和加載方法

圖3 試件在壓力機下進行加載Fig.3 Specimen loaded under the press

本次軸壓試驗中CFRP的包裹方式采用整體環(huán)向全包,試件的長度為400 mm。向切割好的鋼管內(nèi)澆筑混凝土，養(yǎng)護7 d后進行CFRP的粘結(jié)。在鋼管外壁均勻涂刷JGN結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑，待粘結(jié)劑干透后將建筑樹脂膠按2∶1的配合比混合A膠B膠均勻涂抹到管壁上，將CFRP緊貼纏繞在鋼管壁上，在此過程中不斷用刮板碾壓趕走氣泡，同時保持試件表面平整。試件制作完成后在碳纖維布表面黏貼應(yīng)變片，放到壓力機上進行加載，如圖3所示。

試驗主要測試CFRP—鋼管約束混凝土短柱在軸壓加載(A式和B式)下，試件的極限承載力和變形情況(環(huán)向應(yīng)變、軸向位移)。試驗根據(jù)GB/T 50081—2016(普通混凝土拌和物性能方法試驗標準)采用分級位移加載方式,在加載初期試件整體處于彈性階段,加載速率設(shè)置為每級1 mm/min；當荷載增大到預(yù)估極限荷載的70 %時,降低加載速率；臨近破壞時將速率降低為0.5 mm/min，在整個加載過程中保持穩(wěn)定加載直到試件被壓壞。

1.3 試驗現(xiàn)象與分析

圖4典型的試件破壞形態(tài)
Fig.4Typicalfailuremodeofspecimens

圖4所示是具有典型破壞形態(tài)的試件。圖4(a)所示是黏貼單層CFRP的試件，該試件在1/2長度處出現(xiàn)了一個大的CFRP斷裂口，鋼管發(fā)生輕微的屈曲。這是由于核心混凝土中的粗骨料在軸壓下發(fā)生塑性流動，導(dǎo)致混凝土應(yīng)力不穩(wěn)定而重新分布，隨著軸壓增大混凝土應(yīng)力不斷增大，而鋼管和單層CFRP無法提供更大的環(huán)向約束，CFRP產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生脆性破壞。如圖4(b)所示是黏貼雙層CFRP的試件破壞形態(tài)，在試件表面的CFRP上產(chǎn)生了許多細小裂口，斷口沿環(huán)向分布在試件上，鋼管表面光滑。試件斷口數(shù)量較多說明在雙層CFRP和鋼管的約束下試件的環(huán)向應(yīng)力分布均勻，試件應(yīng)力集中的現(xiàn)象得到改善，同時防止了鋼管的屈曲。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 材料對軸向承載力的影響

核心混凝土強度的影響。如圖5所示，在鋼管厚度和CFRP厚度均相同的情況下，增大核心混凝土強度，試件的軸向承載力有顯著提高,軸向承載力的增長率最低為2.17 %，最高為24.53 %。究其原因，在B式加載中，軸向壓力直接作用在核心混凝土上，混凝土的強度很大程度上決定了試件的承載力。由圖6觀察可知，圖6(a)呈現(xiàn)下降趨勢，說明當鋼管壁厚為1.2 mm時，試件軸向承載力增長率隨著混凝土強度的提高而逐漸減??；圖6(b)沒有明顯的趨勢性，說明當鋼管壁厚為1.5 mm時，試件的軸向承載力增長率不僅僅由混凝土強度決定，還受鋼管厚度即鋼管約束力的影響。同時觀察圖6可得，當試件包裹雙層CFRP時，鋼管壁厚為1.2 mm的試件軸向承載力增長率為24.53 %和5.87 %，鋼管壁厚為1.5 mm的構(gòu)件軸向承載力增長率為2.17 %和4.21 %，有三組增長率均在10 %以下。這說明，當CFRP層數(shù)較大時，單純提高混凝土強度對增大試件軸向承載力的貢獻并不明顯，此時CFRP約束效應(yīng)系數(shù)對試件軸向承載力有較大影響。

(a) 鋼管厚度為1.2 mm

圖5試件在不同混凝土強度下的承載力
Fig.5Ultimatebearingcapacityofdifferentstrengthconcrete

(a) 1.2 mm厚鋼管的極限承載力增長率

圖6試件的軸向承載力增長率
Fig.6Axialbearingcapacitygrowthrateofspecimens

CFRP厚度的影響。由圖7可知,在混凝土強度和鋼管厚度相同的情況下,試件的極限軸向承載力隨著CFRP厚度的增加而提高，試件的極限軸向承載力增長率均在13 %以上。這是因為B式加載僅在核心混凝土上進行加載，混凝土受壓后內(nèi)部細小裂縫不斷發(fā)展形成較大的宏觀裂縫，其橫向變形系數(shù)不斷增大，由于變形協(xié)調(diào)鋼管和混凝土之間產(chǎn)生隨軸壓大小變化的相互作用力，使混凝土由單向受力變?yōu)槿蚴芰?。在加載過程中CFRP對鋼管和混凝土提供環(huán)向應(yīng)力，防止了鋼管的屈曲，在CFRP發(fā)生斷裂前有效限制了混凝土裂縫的發(fā)展，進入塑性階段后包裹雙層CFRP的試件比包裹單層和未包裹CFRP的試件極限軸向承載力大。由此可知CFRP約束效應(yīng)顯著的增大了試件極限軸向承載力。C50組試件存在偏壓情況,因此導(dǎo)致1.5 mm的試件比1.2 mm的試件承載力略小。

(a) C30試件的極限承載力

(c) C50試件的極限承載力

2.2 力學參數(shù)對軸向承載力的影響

本文采用軸壓承載力提高系數(shù)[13]S來表示試件承載力提高的程度，即：

S=Nut/Nus，

(1)

式中Nut試件實測軸壓承載力，Nus為名義軸壓承載力,

Nus=fcAc+fyAy，

(2)

Ac和Ay分別為核心混凝土和鋼管的截面面積,fc和fy分別為混凝土的軸向抗壓強度和鋼材的屈服度,fy按公式fξ=0.67fy計算[11]。D/t是試件直徑與鋼管厚度的比值，簡稱徑厚比，ζs、ζf分別為鋼管和CFRP的約束效應(yīng)系數(shù)，也可稱套箍系數(shù)，按公式計算出各個試件的軸壓承載力提高系數(shù)值見表4。如圖8(a)所示，試件D/t—S曲線斜率隨CFRP層數(shù)的增多呈下降狀態(tài)，說明隨著CFRP約束效應(yīng)的增加試件徑厚比對承載力提高系數(shù)的影響隨之減小,可見當CFRP約束效應(yīng)占主導(dǎo)作用時，鋼管徑厚比對試件承載力的提髙貢獻減小。圖9(b)中ζs—S曲線斜率體現(xiàn)出與D/t—S曲線相反的趨勢,隨著CFRP層數(shù)的增多鋼管約束效應(yīng)系數(shù)對試件軸向承載力貢獻增大。圖9(c)中ξf—S曲線均呈現(xiàn)一致的上升趨勢，曲線斜率接近，說明CFRP約束效應(yīng)對試件的軸向承載力提高有顯著影響。綜上可得出，CFRP約束效應(yīng)對試件軸壓承載力提高系數(shù)貢獻最大，鋼管約束效應(yīng)對構(gòu)件承載力提高系數(shù)的影響不如CFRP約束效應(yīng)顯著，試件的徑厚比對試件承載力提高系數(shù)的影響隨CFRP包裹層數(shù)增多而呈現(xiàn)減小的趨勢。

(a)D/t—S曲線

(c) ξf—S曲線

試件編號D/tζsζfSNut/kNB-1.2-30-01172.39901.528744.95B-1.2-30-11172.3991.4252.012980.94B-1.2-30-21172.3992.8512.3181 129.79B-1.5-30-0933.02501.717836.31B-1.5-30-1933.0251.4382.014981.02B-1.5-30-2933.0252.8762.7191 324.61B-1.2-40-01172.23701.776927.63B-1.2-40-11172.2371.3292.1851 141.88B-1.2-40-21172.2372.6572.6951 406.93B-1.5-40-0932.82001.602947.33B-1.5-40-1932.8201.3411.8791 070.75B-1.5-40-2932.8202.6812.5361 353.59B-1.2-50-01171.64001.4371 023.03B-1.2-50-11171.6400.9741.7601 253.04B-1.2-50-21171.6401.9482.0911 489.55B-1.5-50-0932.06801.4861 058.37B-1.5-50-1932.0680.9831.7231 227.22B-1.5-50-2932.0681.9651.9801 410.60

3 A式、B式加載下構(gòu)件承載力對比

將A式、B式對比試驗的6根試件放到壓力機進行加載,得到軸向承載力如表5所示。從表5中數(shù)據(jù)可看出，在鋼管壁厚和混凝土型號相同的情況下，B式加載下試件的極限承載力均大于A式加載下試件的極限承載力,包裹0層、1層和2層CFRP試件的軸向承載力增長率分別為6.19 %、7.02 %和4.67 %，說明B式加載能顯著提高試件的軸向承載力。

表5 試件的極限承載力Tab.5 Ultimate bearing capacity of specimens

三組試件的軸向位移曲線如圖9所示。由圖9可知，在加載初期彈性階段，B式加載下試件的軸向承載力大于A式加載下試件的軸向承載力,到塑性階段二者軸向承載力差距逐漸減小，試件破壞后二者軸向位移差距較小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，在試件加載初期，由于A式加載軸壓作用在試件的整個截面上，混凝土、鋼管和CFRP按剛度承擔軸向荷載，鋼管的泊松比(μ=0.3)大于混凝土的泊松比(μ=0.17)，鋼管環(huán)向變形比混凝土大，因此初期鋼管會與混凝土分離而無法提供套箍力，在此期間可認為混凝土處于單向受壓狀態(tài)；隨著加載的進行內(nèi)部核心混凝土產(chǎn)生裂隙,混凝土泊松比逐漸變大二者才會重新接觸。而B式加載試件在整個加載過程中鋼管和CFRP始終對對混凝土產(chǎn)生約束作用,CFRP約束效應(yīng)能有效防止鋼管的屈曲，限制混凝土裂縫的發(fā)展，使混凝土始終處于三向受力狀態(tài)中，故B式加載方式中鋼管和CFRP對混凝土提供持續(xù)的環(huán)向約束力,使試件的軸向承載力得到提高。

(a)

(c)

4 結(jié)論

① 增大混凝土強度試件的軸向承載力有明顯提高，試件軸向承載力提升率從2.17 %到24.53 %不等；當試件包裹CFRP層數(shù)增多時，混凝土強度的提高對構(gòu)件軸向承載力的貢獻并不明顯。增大CFRP包裹層數(shù)能顯著提高試件的軸向承載力，尤其在試件的塑性階段，軸向承載力增長率均在13 %以上。

② CFRP約束效應(yīng)對試件軸壓承載力提高系數(shù)貢獻最大，徑厚比和鋼管約束效應(yīng)對試件承載力提高系數(shù)的影響不如CFRP約束效應(yīng)顯著。CFRP約束效應(yīng)限制了混凝土裂縫擴展和鋼材的屈曲，提高了試件的延性和剛度。

③ B式加載方式的軸向承載力均大于A式加載，相對于A式加載軸向承載力分別增長6.19 %、7.02 %和4.67 %，B式加載在整個加載過程中鋼管和CFRP都能對混凝土產(chǎn)生約束作用，構(gòu)件的軸壓性能相較于A式更加優(yōu)良。