王善章 張 冰 張千標(biāo) 鄭寰澤 高宇航

(1.東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東深圳 518055；3.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211816)

0 引 言

纖維增強(qiáng)復(fù)材(FRP)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、良好的耐腐蝕性能、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。作為有別于傳統(tǒng)土木工程材料(鋼材、混凝土、木材等)的一種新材料，F(xiàn)RP復(fù)合材料現(xiàn)已被廣泛用于結(jié)構(gòu)加固，并且在新建結(jié)構(gòu)中也極具應(yīng)用前景[1-3]。FRP-混凝土-鋼組合空心柱[4-5]是一種用于新建結(jié)構(gòu)的組合構(gòu)件，由FRP外管、鋼內(nèi)管和兩者之間填充的混凝土構(gòu)成(圖1)。在該組合空心柱中，1)FRP管可保護(hù)內(nèi)部鋼管和混凝土免受外部腐蝕環(huán)境的侵蝕；2)混凝土同時(shí)受到FRP管和鋼管的約束作用，其強(qiáng)度和延性都得以提高；3)混凝土可為鋼管提供側(cè)向支撐，避免或延緩鋼管出現(xiàn)局部屈曲；4)鋼管為構(gòu)件提供抗壓承載力和抗彎承載力；5)可采用較大的面積空心率(即試件中混凝土截面空洞的面積與FRP管所包圍的面積之比)以大幅降低構(gòu)件質(zhì)量；6)FRP管和鋼管可作為澆筑混凝土的模板，進(jìn)而簡(jiǎn)化施工過程。

a—圓形空心柱;b—方形空心柱;c—矩形空心柱。圖1 FRP-混凝土-鋼組合空心柱Fig.1 FRP-concrete-steel double-skin tubular columns

自發(fā)明FRP-混凝土-鋼組合空心柱以來[4-5]，大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，包括該組合空心柱的軸壓性能[4-8]、偏壓性能[9-11]、抗震性能[12-14]、抗撞擊性能[15-16]等。Zhang等前期研究表明：在單調(diào)軸壓荷載下，圓形截面的組合空心柱的軸壓承載力遠(yuǎn)高于三種材料單獨(dú)受壓的承載力之和，具有優(yōu)越的延性[7-8]；在恒定軸壓和側(cè)向往復(fù)荷載下，圓形截面的組合空心柱在恒定軸壓和側(cè)向往復(fù)荷載下具有飽滿的滯回曲線，展現(xiàn)出優(yōu)越的耗能能力和抗震性能[13-14]。除此之外，有些學(xué)者利用該組合空心構(gòu)件優(yōu)越的受壓性能進(jìn)行了組合空心拱結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)和理論研究[17-18]；有些學(xué)者對(duì)該組合空心構(gòu)件的受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究[19-20]。GB 50608—2020《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》對(duì)FRP-混凝土-鋼組合空心柱的設(shè)計(jì)給出了計(jì)算式和具體建議[21]。華南理工大學(xué)陳光明教授與其合作者積極地推動(dòng)了FRP-混凝土-鋼組合空心柱的工程應(yīng)用[18]，如廣東省汕尾市海豐縣大灣區(qū)生態(tài)康養(yǎng)體驗(yàn)景觀示范帶玻璃廊橋采用了4個(gè)圓形截面的FRP-混凝土-鋼組合空心柱作為橋墩。該實(shí)際工程中，組合柱的截面外徑824 mm；FRP管內(nèi)徑800 mm，厚度12 mm；鋼管外徑610 mm，厚度16 mm；相比于同樣截面直徑的實(shí)心柱節(jié)約混凝土約58%。在眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程師的努力下，F(xiàn)RP-混凝土-鋼組合空心構(gòu)件的工程應(yīng)用將會(huì)越來越多。

現(xiàn)有研究主要集中在圓形截面組合空心柱(圖1a)和方形截面組合空心柱(圖1b)，而針對(duì)矩形截面組合空心柱(圖1c)的研究較少。矩形截面組合柱可根據(jù)工程需要，合理設(shè)計(jì)截面的長(zhǎng)邊與短邊之比，以提供繞兩對(duì)稱軸不同的抗彎剛度。本研究對(duì)3個(gè)矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱開展了在恒定軸壓和側(cè)向往復(fù)荷載下的抗震性能試驗(yàn)，研究參數(shù)包括FRP厚度和水平側(cè)向荷載的加載方向(即繞矩形截面的強(qiáng)軸或弱軸加載)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)制作

對(duì)3個(gè)矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱開展了在恒定軸壓和側(cè)向往復(fù)荷載下的抗震性能試驗(yàn)，研究參數(shù)主要包括FRP厚度和水平側(cè)向荷載的加載方向(即繞矩形截面的強(qiáng)軸或弱軸施加彎矩)。如圖2a，組合柱的矩形截面長(zhǎng)、短邊之比為1.5(混凝土截面的長(zhǎng)邊尺寸300 mm，短邊尺寸200 mm，圓弧倒角半徑為30 mm)；組合柱的鋼管為矩形截面，長(zhǎng)、短邊之比為1.5(長(zhǎng)邊尺寸180 mm，短邊尺寸120 mm，圓弧倒角半徑為20 mm)。該矩形截面的面積空心率為0.36，即相比于同樣截面尺寸的實(shí)心柱可節(jié)省約36%的混凝土。如圖2b，試件包括混凝土柱墩和矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱身兩部分，總高度為2 150 mm。混凝土柱墩的尺寸為長(zhǎng)800 mm、寬800 mm、高470 mm；柱身的高度為1 650 mm。試件中的鋼管采用同批次鋼板焊接而成，鋼管壁厚4.5 mm。為了增加混凝土柱墩對(duì)鋼管的嵌固作用，在鋼管底部焊接一塊鋼板作為底板(長(zhǎng)300 mm、寬300 mm、厚10 mm)；嵌入柱墩部分的鋼管上焊接4個(gè)縱向加勁肋(高460 mm、寬80 mm、厚10 mm)。在試件制作過程中，混凝土分兩次澆筑，首先澆筑混凝土柱墩，待柱墩混凝土硬化后再支模澆筑柱身。在柱身混凝土養(yǎng)護(hù)完成后，采用濕粘法，將浸潤(rùn)樹脂的玻璃纖維單向纖維布包裹于柱身，以形成玻璃纖維纏繞管(即GFRP管)。纖維方向?yàn)檠刂淼沫h(huán)向纏繞，F(xiàn)RP管沿環(huán)向的搭接長(zhǎng)度為150 mm，布置于矩形截面的長(zhǎng)邊一側(cè)。本研究采用了HITEX-G900E-60單向玻璃纖維布(名義厚度為0.35 mm)和Lica-A/B樹脂，均購于南京海拓復(fù)合材料有限公司。試件的主要參數(shù)如表1所示，試件編號(hào)中F3和F6分別代表FRP中的纖維層數(shù)；Y和X分別代表水平側(cè)向荷載的加載方向?yàn)槔@橢圓形截面的強(qiáng)軸或弱軸。

a—橫截面；b—試件示意。圖2 矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱 mmFig.2 Rectangular FRP-concrete-steel double-skin tubular column

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

1.2 材料屬性

本試驗(yàn)中矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱采用了GFRP管。根據(jù)ASTM D3039 2000標(biāo)準(zhǔn)[22]測(cè)得，基于名義厚度(每層FRP為0.35 mm，不計(jì)入樹脂層的厚度)得到FRP的抗拉剛度為80.1 GPa，極限抗拉強(qiáng)度為1 836.2 MPa，極限斷裂應(yīng)變?yōu)?.29%。本試驗(yàn)中所有試件的柱身采用同批次混凝土，并預(yù)留了3個(gè)直徑150 mm、高300 mm的混凝土強(qiáng)度試件。根據(jù)ASTM C39/C39M-11a標(biāo)準(zhǔn)[23]，試件的柱身混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為51.2 MPa，峰值應(yīng)變?yōu)?.252%。根據(jù)GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)[24]對(duì)制作鋼管的鋼板進(jìn)行了材性試驗(yàn)，其屈服強(qiáng)度為308.0 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為459.0 MPa、彈性模量為200.3 GPa。

1.3 加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

如圖3所示，在試件柱身上的4個(gè)橫截面上布置了應(yīng)變片(橫截面位置為沿柱身縱向向上，距離柱墩頂面為30,150,300,450 mm的截面上)。每個(gè)布置應(yīng)變片的橫截面上，F(xiàn)RP管外表面上布置了5對(duì)雙向應(yīng)變片，鋼管外表面上布置了3對(duì)雙向應(yīng)變片。在柱身底部布置了3對(duì)線性位移傳感器(LVDT)以測(cè)量試件的局部變形(即LVDT-1～LVDT-6)。3對(duì)LVDT的標(biāo)距均為200 mm，測(cè)量范圍分別為距離柱墩頂面0～200 mm (LVDT-1和LVDT-2)、200～400 mm (LVDT-3和LVDT-4)和400～600 mm (LVDT-5和LVDT-6)。在水平力加載點(diǎn)布置了水平方向的LVDT(即LVDT-7)以測(cè)量試件的側(cè)向位移。為了監(jiān)測(cè)加載過程中柱墩可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，在柱墩兩側(cè)布置了LVDT-8和LVDT-9。試件由水平力加載點(diǎn)到柱墩頂面的垂直距離為1 425 mm。

縱向應(yīng)變片; 環(huán)向應(yīng)變片。圖3 位移計(jì)及應(yīng)變片布置 mmFig.3 Arrangements of LVDTs and strain gauges

如圖4所示，加載裝置由加載橫梁、千斤頂、水平作動(dòng)器、錨桿、單向鉸等組成。水平往復(fù)荷載采用MTS液壓伺服作動(dòng)器施加，并采用位移控制加載。當(dāng)試件的側(cè)向水平承載力下降到小于80%峰值承載力時(shí)停止加載。所有試件的軸壓比均采用了0.2。如前文所述，F(xiàn)RP管中的纖維為沿試件環(huán)向纏繞以對(duì)混凝土提供充分的約束作用，因此根據(jù)軸壓比計(jì)算軸力時(shí)未考慮FRP管的軸向剛度。試件軸力根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算。因各試件的鋼管和混凝土均相同，試件施加的軸力均為405.5 kN。

圖4 試件加載布置Fig.4 Experimental devices

N=(fcAc+fyAs)n

(1)

式中:n為軸壓比；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度；fy為鋼管屈服強(qiáng)度；Ac為混凝土截面面積；As為鋼管截面面積。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)中3個(gè)試件的破壞現(xiàn)象相似。在施加軸力之后，試件的縱向應(yīng)變片有明顯讀數(shù)，而環(huán)向應(yīng)變片讀數(shù)很小。在施加水平側(cè)向荷載的初期，試件沒有明顯的破壞現(xiàn)象；當(dāng)側(cè)向位移超過50 mm時(shí)可明顯看到試件底部的FRP管產(chǎn)生環(huán)向裂縫，此裂縫是由于FRP管中樹脂沿縱向斷裂而造成的。隨著側(cè)向位移的增加，F(xiàn)RP管發(fā)出噼啪開裂的聲音；同時(shí)在柱身的根部出現(xiàn)FRP管外鼓的現(xiàn)象。圖5為試件F6-Y和試件F6-X的破壞圖，試件的變形與破壞主要集中在距基礎(chǔ)頂面0～200 mm的范圍。在距基礎(chǔ)頂面0～20 mm的范圍內(nèi)FRP發(fā)生了環(huán)向纖維斷裂，但斷裂區(qū)域很小。FRP管上的環(huán)向應(yīng)變較小，即FRP管的抗拉強(qiáng)度沒有得到充分利用。在移除FRP管之后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土產(chǎn)生了嚴(yán)重的壓潰破碎，主要集中在距基礎(chǔ)頂面0～200 mm的范圍；在移除混凝土后發(fā)現(xiàn)柱身底部的鋼管有嚴(yán)重的局部屈曲。

a—試件F6-Y;b—試件F6-X。圖5 試件破壞示意Fig.5 Failure modes of specimens

2.2 滯回曲線

在本試驗(yàn)加載過程中，試件的側(cè)向位移導(dǎo)致試件軸力不再是豎向荷載，而是與垂直方向成一個(gè)傾斜角度，此時(shí)試件軸力的水平分量與水平側(cè)向位移的方向相反(圖6)。試件的真實(shí)水平側(cè)向荷載F等于試驗(yàn)中測(cè)得的水平側(cè)向荷載P減去軸壓荷載N在傾斜角度α下的水平分量(式(2))。傾角α由式(2a)確定，Δ為試件在水平荷載加載點(diǎn)的側(cè)向位移，L為柱高。經(jīng)計(jì)算，試件的水平側(cè)向位移對(duì)試件所受的垂直荷載Ncosα影響很小，可以忽略不計(jì)。

圖6 試件的水平側(cè)向荷載Fig.6 Lateral loading on specimens

F=P-Nsinα

(2)

其中α=tan-1(Δ/L)

(2a)

圖7為試件的滯回曲線。在恒定軸壓和側(cè)向往復(fù)荷載下，矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱的滯回曲線飽滿，顯示出優(yōu)越的耗能能力。圖7同時(shí)給出了滯回曲線的包絡(luò)線，以及試件的屈服點(diǎn)[13-14]、峰值荷載點(diǎn)和對(duì)應(yīng)于80%峰值荷載的殘余荷載點(diǎn)。試件F6-Y比試件F3-Y的峰值荷載略大，但兩者的延性接近，這是由于試驗(yàn)中FRP管的抗拉強(qiáng)度沒有得到充分利用導(dǎo)致的(FRP管上的環(huán)向應(yīng)變較小)。對(duì)比試件F6-Y和試件F6-X可知，繞強(qiáng)軸方向加載的試件承載力峰值和延性都要遠(yuǎn)大于繞弱軸方向加載的試件。

a—試件F6-Y與F3-Y對(duì)比;b—試件F6-Y與F6-X對(duì)比。 屈服點(diǎn); 峰值荷載; 80%殘余荷載。圖7 滯回曲線Fig.7 Hysteretic curves

2.3 曲率分布

如圖3所示，在試件根部布置了3對(duì)LVDT，其標(biāo)距范圍均為200 mm，測(cè)量范圍分別為距離柱墩頂面0～200 mm (LVDT-1和LVDT-2)、200～400 mm (LVDT-3和LVDT-4)和400～600 mm (LVDT-5和LVDT-6)。由此，柱身根部范圍的平均曲率可根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算[13]。

(3)

式中:φΔ為L(zhǎng)VDT標(biāo)距范圍內(nèi)的平均曲率;Δ1和Δ2為同一標(biāo)距范圍內(nèi)的兩個(gè)LVDT的位移讀數(shù);S為同一標(biāo)距內(nèi)兩個(gè)位移計(jì)的水平距離;h為位移計(jì)的標(biāo)距長(zhǎng)度(即200 mm)。

圖8為試件F6-Y和試件F6-X的曲率分布。如圖所示，試件距柱墩頂面0～200 mm區(qū)域內(nèi)的平均曲率要遠(yuǎn)大于200～400 mm和400～600 mm區(qū)域，即試件的損傷主要集中在柱身底部。由曲率分布可以看出，在距離柱墩頂面0～200 mm和200～400 mm區(qū)域內(nèi)，兩個(gè)加載方向的曲率基本相同，即試件兩側(cè)的損傷程度接近。對(duì)于距離柱墩頂面400～600 mm區(qū)域內(nèi)，由于LVDT的讀數(shù)都很小，由式(3)計(jì)算得出的兩個(gè)加載方向曲率并不對(duì)稱。

a—試件F6-Y;b—試件F6-X。位移量綱為mm。圖8 沿柱高方向的平均曲率分布Fig.8 Average curvature along column height

3 數(shù)值模擬

基于OpenSees對(duì)矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱在恒定軸壓和側(cè)向往復(fù)荷載下的滯回曲線進(jìn)行了數(shù)值模擬。如圖9a所示，試件底部為固支端，沿試件縱向劃分5個(gè)“nonlinearBeamColumn”單元，每個(gè)單元定義了5個(gè)Gauss-Lobatto積分點(diǎn)。圖9b為試件F6-Y和F3-Y的截面纖維劃分(兩試件繞截面的強(qiáng)軸加載)，圖9c為試件F6-X的截面纖維劃分(試件繞截面的弱軸加載)。試件中的鋼管采用OpenSees中內(nèi)嵌的“ReinforcingSteel”模型；混凝土模型采用OpenSees中內(nèi)嵌的“FRPConfinedConcrete02”模型，在該模型中根據(jù)Zhang等關(guān)于矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱的本構(gòu)模型定義混凝土的極限應(yīng)力和極限應(yīng)變[25]。研究中，F(xiàn)RP管中的玻璃纖維是環(huán)向纏繞于試件柱身的，軸向剛度很小，可忽略其對(duì)承載力的直接貢獻(xiàn)。

a—力學(xué)模型；b—F6-Y、F3-Y截面纖維劃分；c—F6-X截面纖維劃分。圖9 基于OpenSees的有限元模型Fig.9 Finite element models based on OpenSees

圖10為矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱的試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。如圖所示，本文的數(shù)值模型可以給出準(zhǔn)確但偏于保守的預(yù)測(cè)結(jié)果。在定義“FRPConfinedConcrete02”模型的混凝土極限應(yīng)力和極限應(yīng)變時(shí)，采用了Zhang等關(guān)于矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱的本構(gòu)模型[25]，而該模型是偏于保守的，進(jìn)而導(dǎo)致圖10中的預(yù)測(cè)結(jié)果偏于保守。

4 結(jié)束語

針對(duì)3個(gè)矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱開展了在恒定軸壓和側(cè)向往復(fù)荷載下的抗震性能試驗(yàn)，研究了FRP管厚度和水平力加載方向?qū)ζ淇拐鹦阅艿挠绊憽?/p>

1)矩形FRP-混凝土-鋼組合空心柱的滯回曲線飽滿，具有優(yōu)越的耗能能力。

2)試件的破壞主要集中在距柱墩頂面0～200 mm區(qū)域內(nèi)；此區(qū)域內(nèi)FRP管有較多環(huán)形裂縫和外鼓現(xiàn)象，混凝土發(fā)生了壓潰破壞，鋼管有局部屈曲。

a—試件F6-Y;b—試件F3-Y;c—試件F6-X。圖10 試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比Fig.10 Comparison between experimental results and predictions

3)試件的FRP管越厚，試件的側(cè)向承載力峰值越大；繞強(qiáng)軸方向加載的試件承載力峰值和延性都要遠(yuǎn)大于繞弱軸方向加載的試件。

4)提出的OpenSees模型可以對(duì)FRP-混凝土-鋼組合空心柱的滯回曲線給出準(zhǔn)確但偏于保守的預(yù)測(cè)結(jié)果。