成 彤，李寧景，陳光明，李召兵，熊 焱，趙新宇

(1.廣州市城建規(guī)劃設計院有限公司， 廣東 廣州 510230； 2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室, 廣東 廣州 510641)

鋼管混凝土是一種在工程得到廣泛應用的組合結構形式，由混凝土澆筑在不同形狀的鋼管中形成.在鋼管混凝土中，鋼材和混凝土兩種材料在受力過程中能形成如下有利相互作用：鋼管對核心混凝土提供約束作用，使混凝土處于三向受壓應力受力狀態(tài)，后者強度與變形能力均得到顯著提升，同時鋼管還與混凝土共同受力，承受部分外力；而混凝土能對鋼管形成側向支撐，提升其抗屈曲能力.此外，鋼管還可以作為澆筑混凝土的模板、實現(xiàn)免模板施工[1-2].鋼管混凝土存在一些不足，如：耐腐蝕及耐高溫能力不足；受壓荷載較大時，鋼管可能向外屈曲導致承載力下降[3].耐火性不足，一般涂抹防火涂料[4-5]加以解決.此外，還可以通過設置橫向增強措施(如設置栓釘、約束拉桿和箍筋等)和縱向增強措施(如縱向加勁肋、鋼骨和縱向鋼筋等)來提升鋼管混凝土柱的軸向受力性能.上述增強措施中，一部分還能提升鋼管混凝土柱的耐高溫性能(如設置箍筋、設置約束拉桿等)；然而，大多數(shù)的增強措施都會增大鋼材用量，從而增加造價[6].因此，如何在增強鋼管混凝土受力性能的同時，提升其耐久性及耐高溫性能，同時不增加用鋼量，是一個既有科學研究價值又有重要工程應用價值，亟待解決的技術問題.

ECC(Engineered Cementitious Composite)是一種具有多裂縫開展和應變硬化特征的纖維增強水泥基復合材料，具有受拉延性好、韌性高、耐久性好等優(yōu)點；ECC的抗壓強度與普通混凝土類似，彈性模量略低于普通混凝土，但其極限拉應變能達3%以上，最大裂縫寬度能控制在50 μm以內(平均裂縫間距1 mm[7]).ECC中常用的纖維有PVA(聚乙烯醇)纖維、PE(聚乙烯)纖維及PP(聚丙烯)纖維等.現(xiàn)有研究通過對PVA-ECC、PE-ECC和普通混凝土的抗壓性能進行比較，發(fā)現(xiàn)PVA-ECC有更好受壓延性[8].常溫下PVA纖維能起到橋聯(lián)作用從而抑制裂縫發(fā)展，高溫時又能熔融形成水蒸汽溢出通道，有利于內部水蒸氣壓力釋放，避免ECC發(fā)生爆裂，使得ECC在經歷了高溫后的完整性優(yōu)于普通混凝土[9-11]；因此，ECC除了具有上述受力性能及耐久性方面的優(yōu)點外，還具有較好的耐高溫性能.

纖維編織網增強ECC(Textile-reinforced ECC)是將纖維編織網(textile)嵌入ECC基體中組成的一種新型纖維增強復合材料應用形式，以下簡稱TR-ECC.與纖維編織網增強混凝土(Textile-reinforced concrete，簡稱TRC)和纖維編織網增強砂漿(Textile-reinforced mortar，簡稱TRM)相比，TR-ECC具有更好的韌性、延性及變形能力，能更好地控制裂縫開展(較細的多裂縫).因此，將纖維編織網與ECC材料結合，不僅能夠解決ECC中亂向分布的短切纖維(PVA)不能有效承擔荷載的問題，還能夠解決TRC開裂后導致基體剛度及承載的能力不足，同時能避免纖維編織網和基體界面因為基體開裂早期脫粘的問題，提高纖維編織網與基體間的界面粘結性能，從而有效控制裂縫的發(fā)展，使該新型纖維增強復合材料具有優(yōu)異的力學性能(如延性及變形能力，后期剛度)和裂縫控制能力[12-13].Al-Gemeerl 與Zhu等[14]采用玄武巖纖維編織網和ECC基體相結合的方法，研究了其對于混凝土柱的約束效果.試驗發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維編織網增強ECC具有限制混凝土圓柱膨脹的潛力，對被約束柱的延性和承載能力都有較大改善.高皖揚等[15]開展了使用TR-ECC加固的受火后混凝土板(8塊)的四點彎曲試驗.試驗結果表明：利用玄武巖纖維編織網增強ECC加固受火后混凝土板能夠有效抑制裂縫的開展；加固受火后混凝土板抗彎承載力提升幅度在 70%～200%之間；潘金龍等[16-17]研究了ECC外包鋼管混凝土柱的滯回性能和軸壓性能.試驗結果表明：ECC包裹鋼管混凝土柱具有更高的承載力和更好的延性，累計耗能是相同幾何形狀的混凝土包裹鋼管混凝土柱的兩倍左右.因ECC層較厚，實際工程應用時成本高，不經濟.盧亦焱等[18]則對采用碳纖維編織網增強ECC加固鋼管混凝土柱的軸壓力學性能進行了試驗研究，研究了纖維編織網層數(shù)、鋼管徑厚比及混凝土強度對組合柱軸壓力學性能的影響.試驗結果表明：ECC加固層能有效提升鋼管混凝土柱的承載力，且添加纖維編織網的試件表現(xiàn)出了更高的延性.但是，該研究測試的試件尺寸較小(圓柱體140 mm×500 mm)，試驗結果雖然初步證實了采用碳纖維編織網增強ECC加固鋼管混凝土柱的可行性，其實際工程應用價值有待較大尺寸試件研究進一步確認.另一方面，該研究中，TR-ECC加固層采用手工涂抹方式附著在鋼管混凝土柱表面，耗時較長，效率較低，控制ECC的厚度有一定的困難.

現(xiàn)有對鋼管混凝土構件的研究多集中在其常溫力學性能方面，而對其耐久性與極端條件(如高溫或火災)性能的研究相對較少.針對鋼管混凝土的增強措施一般都會增加用鋼量，僅有小部分措施能同時增加其耐高溫性能及耐久性.TR-ECC作為一種新型ECC應用形式，將其用于鋼管混凝土的外包加固，具有以下優(yōu)勢：由于采用了具有良好的抗裂性能、韌性及抗高溫爆裂性能的ECC作為基體材料，同時由于使用纖維編織網作為增強材料，使TR-ECC的加固效果明顯高于ECC單獨使用，有望同時提升被加固鋼管混凝土的耐高溫性能及受力性能.由此，本文開展了帶纖維編織網增強ECC(TR-ECC)加固層的鋼管混凝土軸壓力學性能試驗研究.帶纖維編織網增強ECC加固層有望實現(xiàn)以下效果：(1)作為保護層提升鋼管耐腐蝕能力不足；(2)作為保護層提升鋼管耐高溫不足；(3)作為約束措施抑制由于鋼管外屈曲，避免早期軸向承載力下降，從而提升其受壓力學性能.其中效果(3)的實現(xiàn)主要是由于帶纖維編織網增強ECC加固層有可觀的后期約束剛度.本課題系統(tǒng)研究了ECC厚度、纖維編織網層數(shù)、鋼管厚度及受高溫作用對帶纖維編織網增強ECC加固層鋼管混凝土軸壓力學性能的影響.

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

為研究帶TR-ECC層的鋼管混凝土力學性能，共設計了3組共9根較大尺寸組合短柱，如表1所示.試件編號含義如下：第一個字母S代表鋼管，其后數(shù)據(jù)代表鋼管的厚度(單位mm)；第二個字母E表示ECC層，其后數(shù)據(jù)表示ECC層的厚度；第三個字母G表示纖維編織網，其后數(shù)據(jù)表示纖維編織網的網眼間距.具體而言，9個試件包括2根鋼管混凝土柱(如S4、S8)，2根帶ECC層鋼管混凝土柱(如S4E25、S4E50)及5根帶纖維編織網增強ECC層鋼管混凝土柱試件(如S4E50G50、S4E50G25)，其中，鋼管混凝土柱主要用于對比研究.所有試件鋼管外徑均為300 mm，高度均為900 mm，主要變化參數(shù)為鋼管厚度、ECC厚度及纖維編織網網眼尺寸.鋼管使用的鋼材設計強度等級為Q345，混凝土設計強度等級為C30.試件主要參數(shù)如表1所示，構件橫截面示意圖如圖1所示.

表1 試件主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of specimens

圖1 試驗試件截面圖示意圖Fig.1 Section diagram of test specimen

需要指出的是：由于本研究中試件采用了接近實際工程的較大截面尺寸，試件ECC層最大厚度依據(jù)《建筑構件耐火實驗方法 第1部分：通用要求》(GB/T 9978.1—2008)[19]，以按照ISO 834標準升溫曲線升溫120 min鋼管表面溫度不超過400 ℃(大于此溫度鋼管受力性能將發(fā)生明顯退化[20])為原則，通過有限元分析選定.試件澆筑過程按照如下步驟進行：(a)澆筑鋼管內混凝土，(b)在鋼管外表面焊接栓釘，(c)將編織網固定在栓釘上，(d)固定GFRP管作為外模板，(e)在GFRP管和鋼管之間澆筑ECC，(f)去掉GFRP管模板(如圖2 所示).

圖2 試件澆筑過程示意圖Fig.2 Process of casting specimen

1.2 材性力學性能

1.2.1 NSC/ECC材料性能

普通混凝土的材料性能試驗參考ASTM-C469/C469M-14[21]規(guī)范，澆筑了3個Φ150 mm×300 mm的標準圓柱體，在60 d測得的混凝土強度性能如表2所示.ECC的強度和彈性模量測試參考日本土木工程協(xié)會標準[22]，分別通過3個Φ100 mm×200 mm的圓柱體進行受壓性能測試，同時準備3個狗骨形試件進行受拉性能測試,分別在試件試驗階段(澆筑試件約7個月)和28 d測得的ECC材料性能如表3所示.

1.2.2 鋼管材料性能

試驗所用鋼管為Q345有縫(焊接)鋼管，厚度有兩種，分別為4 mm和8 mm.參考GB/T 228.1—2010規(guī)范[23]，在每種厚度的鋼管非焊接區(qū)沿縱向各切割了3根狗骨形試樣用于測量鋼材的屈服強度、彈性模量和泊松比.鋼管材性試驗結果如表3所示.

表2 混凝土材料性能Tab.2 Material properties of concrete

表3 ECC材料性能Tab.3 Material properties of ECC

表4 鋼材材料性能Tab.4 Material properties of steel

1.3 試驗裝置及測量方案

研究試件加載均在華南理工大學結構實驗室1 500 t長柱壓力機上進行，加載裝置如圖3所示.位移計(LVDT)及應變片測點布置如圖4所示.

圖3 加載裝置圖Fig.3 Test set-up

圖4 測點布置Fig.4 Arrangement of measuring points

對鋼管混凝土試件及TR-ECC加固鋼管混凝土試件，在鋼管或ECC層試件中部處沿環(huán)向間隔90°共布置4個縱向應變片和4個橫向應變片，同時在每個試件的中部沿著環(huán)向等間距安裝了4個量程為100 mm的LVDT(即LT1-LT4)用以測量柱中高度450 mm范圍的軸向變形；此外，還安裝了兩個位移計LT5和LT6用以測量試件的軸向總變形.加載方式采用位移控制，參考柳欽[24]的軸壓試驗方案，軸向應變增長速率取10-5/s，位移加載速率取0.009 mm/s.在正式加載之前，對試件進行預壓.施加10%的預估極限荷載，觀察軸向應變片讀數(shù)，按照如下方式檢驗試件是否對中.試件上對稱位置2個軸向應變數(shù)據(jù)之差在其平均值的±10%范圍內，然后進行正式加載.加載至滿足以下兩個條件之一時停止加載：(1)荷載下降至85%峰值荷載；(2)試件到達最大荷載點后荷載下降至最低谷且開始出現(xiàn)明顯上升趨勢(不考慮加載過程可能出現(xiàn)的荷載瞬時快速下降，然后回彈上升的情況，詳見論文第4節(jié)討論).

2 試件破壞過程及破壞模態(tài)

部分試件的典型最終破壞模態(tài)圖5所示.破壞模態(tài)及破壞過程歸納如下：(1)兩個CFST試件(S4和S8)的破壞過程和破壞模態(tài)基本相同，即當豎向荷載增至約90%峰值荷載時，鋼管受壓屈服，試件進入彈塑性階段；當豎向荷載到達峰值并開始迅速下降至峰值的90%時，試件中部及附近開始發(fā)生膨脹，隨著荷載的繼續(xù)增加，局部屈曲現(xiàn)象逐漸明顯，試件上端部或下端部出現(xiàn)“象足屈曲”直至鋼管沿焊縫開裂，試驗結束；(2)外包ECC或TR-ECC的鋼管混凝土試件：外包層一般在加載至第一個峰值荷載時出現(xiàn)一條明顯裂縫(肉眼可視)，同時伴隨較大開裂聲響，荷載急劇下降隨后上升.隨著荷載的增加，其他細裂縫逐漸產生并發(fā)展，裂縫開展整個過程伴有滋滋聲，開裂處能看到ECC中的PVA纖維拔出，表明該處PVA逐漸失去橋聯(lián)作用.對于外包ECC層試件(S4E25及S4E50)，試驗后期ECC開裂開展非常明顯(裂縫寬度在5 mm以上)甚至完全脫落(S4E50)；對于有纖維編織網的試件，裂縫發(fā)展相對緩慢，且試件破壞時外包層并未完全脫落，試件的完整性更好，個別試件(如S4E50G25)由于加載時間較長，試驗停止時位移已達到試驗機器量程，因此ECC層裂縫開展達到10 mm以上，同時鋼管變形更加嚴重；(3)去掉外包ECC層后，發(fā)現(xiàn)所有鋼管都存在向外鼓曲變形，有ECC外包層的試件鋼管變形情況要比無外包層試件(純CFST試件)的變形輕微.具體而言，對于鋼管厚度為4 mm的試件，外包層的存在對于鋼管的變形起到了一定的延緩作用.對于鋼管厚度為8 mm的試件，外包層的存在對于鋼管的變形起到了非常明顯的抑制作用(屈曲變形不明顯).對比外包ECC層及TR-ECC層的試件，發(fā)現(xiàn)僅有ECC層的試件局部屈曲變形較為明顯，而有纖維編織網(TR-ECC層)的試件屈曲變形不明顯或仍處于發(fā)展階段(上述S4E50G25除外).

圖5 破壞模態(tài)圖Fig.5 Photos of failure modes

3 荷載-位移曲線

所有試件的荷載-位移曲線如圖6所示.圖6中，為了更加清晰顯示曲線規(guī)律，采用了全局圖(圖6(a))及局部放大圖(圖6(b))結合來展示.根據(jù)曲線的特點，所示的荷載-位移曲線可以分類如下：第一類呈現(xiàn)“n”型，特征為曲線上升至頂點后平穩(wěn)下降，表現(xiàn)為良好的延性，為典型的鋼管混凝土荷載-位移曲線(試件S4, S8).第二類為“m”型，特征為曲線上升至第一個峰值后迅速下降，然后緩慢上升至第二個峰值點，最后平穩(wěn)下降，在平穩(wěn)下降節(jié)段與“n”型曲線類似；所有的帶ECC與TR-ECC加固層的試件曲線屬于“m”型.對“m”型曲線進行詳細比較可知：(1)當ECC或TRECC層的厚度較大時(50 mm)，曲線的第一個峰值荷載會明顯大于第二個峰值荷載，因此最大荷載出現(xiàn)在第一個峰值點；同時，第一個低谷點一般都小于最大荷載0.85倍(0.85Pk)，因此，可以認為極限狀態(tài)出現(xiàn)在第一個下降段.(2)當ECC或TR-ECC層的厚度較小時(25 mm)，第一個峰值荷載會略小于第二個峰值荷載，因此最大荷載一般出現(xiàn)在第二個峰值點，而極限狀態(tài)一般出現(xiàn)在第二個下降段，一般為第二個低谷點(試件S4E25)或下降至0.85倍最大荷載對應點(試件S4E25G25，S4E25G50).(3)網格的網眼尺寸大小對第一個峰值點后曲線的下降趨勢有一定的影響：一般纖維編織網網眼尺寸越小，下降段剛度絕對較小(坡度較為平緩)，同時第一個低谷對應荷載較高，此現(xiàn)象與纖維編織網對ECC層內裂縫開展的抑制作用相關；但是圖6結果同時表明，纖維編織網網眼尺寸對最大荷載的影響規(guī)律不明顯, 有待繼續(xù)深入研究.此外，需要指出的是，鋼管的屈服點(考慮軸向與環(huán)向應力并由于von Mises確定)一般會發(fā)生在上述第一個峰值點之前(個別“m”型曲線會發(fā)生在第一個峰值后的下降段，如S4E50G50)并與該峰值點比較接近，而ECC層開裂(見表5)發(fā)生在所述屈服點之后并與上述峰值點接近，說明鋼管屈服導致較大塑性變形可能是出現(xiàn)ECC層開裂及荷載達到峰值的誘因.根據(jù)上述試驗現(xiàn)象，可以得出如下結論：(1)較厚ECC層能明顯提升鋼管混凝土的承載力，但是會導致出現(xiàn)兩次峰值，可能導致試件延性下降(即出現(xiàn)“m”型荷載-位移曲線，原因詳見第4節(jié)“關鍵結果分析及討論”)；(2)纖維編織網網眼尺寸對承載力影響規(guī)律不明顯，僅僅影響第一個下降段剛度，理論上可能影響延性，但是規(guī)律比較離散，有待繼續(xù)深入研究.

圖6 荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves

4 關鍵結果分析及討論

本研究的關鍵結果表5所示.圖7～9為最大荷載、最大荷載對應位移、延性系數(shù)的柱狀圖.需要說明的是，表5所示軸向剛度是通過荷載-軸向位移曲線初始上升段兩點(荷載為500 kN與3 500 kN)之間的斜率近似估算確定.由表5可知，ECC層及TR-ECC層加固明顯增強了鋼管混凝土的軸向剛度，其中厚度為50 mm厚的ECC層對軸向剛度的增強較為顯著，而纖維網格尺寸對試件軸向剛度影響不大.

圖7 最大荷載柱狀圖Fig.7 Bar chart of maximum loads

由圖7可知，25 mm厚ECC層對試件承載力(最大荷載)影響不大，而50 mm厚ECC層能明顯增加試件承載力，但是纖維網格尺寸對試件承載力影響不大.

圖8顯示，ECC加固層可能大幅減少最大荷載對應的位移，其中厚度為50 mm的ECC層對上述位移的減小非常明顯.造成上述現(xiàn)象的主要原因為鋼管開始屈服后，ECC層的裂縫迅速開展，隨后不能再與鋼管混凝土部分協(xié)同工作(詳見第3節(jié)論述)而導致試件荷載整體降低出現(xiàn)第一個峰值點，后續(xù)加載過程中，由于鋼管材料進入強化段及對混凝土約束效應的增加，可能導致出現(xiàn)第二個峰值點.

圖8 最大荷載對應位移柱狀圖Fig.8 Bar chart of displacements corresponding to maximum load

圖9 延性系數(shù)柱狀圖Fig.9 Bar chart of ductility coefficients

圖9表明：雖然25 mm厚的ECC層能導致加固試件延性系數(shù)有一定的增加，但是50 mm厚ECC層將導致加固試件延性系數(shù)明顯降低，這個是由相關試件的荷載到達最大值后快速降低并達到極限狀態(tài)直接相關[如圖6(b)]所示.另外，從圖7～9可知，纖維編織網的網眼尺寸除了對ECC層厚度為25 mm最大荷載對應的位移有一定的影響外(網眼尺寸減小導致最大荷載對應的位移增加)，對其他主要結果的影響不大.

表5 關鍵試驗結果Tab.5 Key test results

5 結論

根據(jù)試驗結果及其分析，可以得到如下結論：

(1)ECC層能有效增加鋼管混凝土試件的初期軸壓剛度及承載力，但是對變形能力(極限位移)及延性可能有不利的影響；主要原因在于ECC層雖然有較好的受拉延性及變形能力，但受壓時候的抗裂能力、變形能力及延性一般，導致在受壓構件中，在加載后期ECC層不能與鋼管混凝土協(xié)同工作.增加ECC層厚度可明顯提升鋼管混凝土的承載力及初始軸向剛度，但是可能導致試件延性下降，出現(xiàn)兩次峰值(即荷載-位移曲線呈現(xiàn)“m”型)；

(2)纖維編織網能在一定程度上延緩或抑制ECC開裂后的裂縫發(fā)展，但是對初始開裂荷載影響不大；ECC加固層的開裂緊隨鋼管屈服之后，說明鋼管的向外變形及屈服是導致ECC加固層開裂的主要原因.纖維編織網的網眼尺寸除了對ECC層厚度為25 mm最大荷載對應的位移有一定的影響外(網眼尺寸減小導致最大荷載對應的位移增加)，對其他主要試驗結果的影響不大.后續(xù)研究中需要針對纖維編織網的影響開展進一步的深入研究(含纖維編織網的層數(shù))以厘清其潛在影響.

研究結果還表明，需要在后續(xù)研究中優(yōu)化纖維編織網的用量及布置，使之與ECC層厚度匹配，以能更好地起到限制ECC加固層裂縫開展作用，在增強ECC層對強度及剛度增強的同時，避免上述對變形能力(極限位移)及延性的不利影響.