CFRP—鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的軸壓力學(xué)性能

王吉忠+劉建偉+楊柳

摘要：對8根碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）-圓/方鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土（C-C/STCSRC）短柱和4根CFRP約束圓鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土（C-CTSRC）短柱進(jìn)行了軸壓試驗，分析了CFRP約束效應(yīng)系數(shù)、鋼管截面形式以及鋼管受力性能對CFRP-圓/方鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土（C-C/STCSRC）軸壓短柱力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：CFRP-圓鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土（C-CTCSRC）軸壓短柱的極限承載力提高率隨著約束效應(yīng)系數(shù)的增加呈指數(shù)形式增長；在柱核心混凝土截面面積相同時，CFRP-圓鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土（C-CTCSRC）軸壓短柱的極限承載力比CFRP-方鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土（C-STCSRC）軸壓短柱的極限承載力高50%以上；在彈性工作階段，CFRP約束圓鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土（C-CTSRC）柱的彈性模量高于CFRP-圓鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土（C-CTCSRC）柱的彈性模量；CFRP-圓鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土（C-CTCSRC）柱的極限承載力高于CFRP約束圓鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土柱的極限承載力；CFRP與鋼管黏結(jié)良好時，CFRP與鋼管能夠協(xié)同工作。

關(guān)鍵詞：CFRP-鋼復(fù)合管；承載力；軸壓；高強(qiáng)混凝土；短柱

中圖分類號：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-2049（2017）02-0048-08

Abstract：The axial compression tests of 8 carbon fiber reinforced polymer （CFRP）-circular/square steel composite tube confined steel high strength reinforced concrete （C-C/STCSRC） stub columns and 4 CFRP confined circular steel tube steel high strength reinforced concrete （C-CTSRC） stub columns were carried out. The effects of constraint coefficient of CFRP， section form of steel tube and mechanical performance of steel tube on the mechanical behavior of C-C/STCSRC columns were investigated. The results show that the ultimate bearing loading capacity of CFRP circular steel composite tube confined steel high strength concrete （C-CTCSRC） stub columns increases with constraint coefficient as exponential form. The ultimate bearing capacity of C-CTCSRC is 50% larger than that of CFRP square steel composite tube confined steel high strength reinforced concrete when the section areas of column core concretes are same. The elastic modulus of CFRP confined circular steel tube steel high strength reinforced concrete stub columns （C-CTSRC） is higher than that of C-CTCSRC during the elastic stage. The ultimate bearing loading capacity of C-CTCSRC is higher than that of C-CTSRC. The results also indicate that CFRP and steel tube can work together when they are bound well.

Key words：CFRP-steel composite tube； bearing capacity； axial compression； high strength reinforced concrete； stub column

0引 言

在高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)中，底層柱往往要承受很大的荷載[1]，而普通壁厚的鋼管約束混凝土柱難以滿足承載力的要求，由于厚壁鋼管的供貨渠道少、造價高、施工困難等原因，使得鋼管約束高強(qiáng)混凝土柱的應(yīng)用受到了限制[2]；近幾年出現(xiàn)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有較高的抗拉強(qiáng)度[3]、耐高溫、耐腐蝕等特性，將CFRP纖維布與鋼管約束高強(qiáng)混凝土柱相結(jié)合，可以彌補(bǔ)普通鋼管約束高強(qiáng)混凝土柱承載力不足的缺陷，并在一定程度上解決鋼管的腐蝕問題，增強(qiáng)鋼管的抗火性能。

中國對CFRP-鋼管-混凝土組合柱的研究起步較晚。在此之前，學(xué)者們對FRP約束混凝土柱已進(jìn)行了大量研究[4-7]，但由于其脆性較大，使其在工程中的應(yīng)用受到限制。王慶利等[8]提出了CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)的研究設(shè)想，即在鋼管混凝土柱的外部包裹CFRP纖維布形成CFRP-鋼管混凝土復(fù)合柱。此后，顧威等[9-10]對CFPR約束鋼管混凝土短柱的靜力性能進(jìn)行了一系列研究，Xiao等[11-12]對CFRP約束鋼管混凝土柱的抗震性能進(jìn)行研究。林少遠(yuǎn)[13]對FRP-鋼復(fù)合管約束鋼筋混凝土短柱的軸壓力學(xué)性能和抗震性能進(jìn)行了研究，建立了FRP-鋼復(fù)合管約束鋼筋混凝土圓柱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型；冉江華[14]對FRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土柱的軸壓力學(xué)性能進(jìn)行了研究，分析FRP種類、FRP層數(shù)等對柱力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明CFRP對改善柱的靜力性能效果顯著。然而，學(xué)者們只對CFPR約束鋼管混凝土柱或CFRP-鋼復(fù)合管約束混凝土柱進(jìn)行各自的研究，并沒有對2種柱進(jìn)行對比分析研究，而且對CFRP-鋼復(fù)合管約束混凝土柱的研究不夠完善。同時，對已有試驗進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，核心混凝土為素混凝土或鋼筋混凝土?xí)r，加載試驗結(jié)束后，核心混凝土完全斷裂，即抗剪承載力不足，因此本文試驗在核心混凝土中植入型鋼。

本文通過對8根CFRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱和4根CFRP約束鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的軸壓試驗，研究CFRP約束效應(yīng)系數(shù)、鋼管截面形式、鋼管受力性能對CFRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱軸壓力學(xué)性能的影響，最后通過對比分析，得出柱截面形式、鋼管受力性能對柱力學(xué)性能的影響規(guī)律以及CFRP約束效應(yīng)系數(shù)與承載力提高率的相互關(guān)系。

1試驗概況

1.1試件設(shè)計

共進(jìn)行8根CFRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱和4根CFRP約束鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的軸壓試驗，CFRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱及CFRP約束鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土短柱橫截面及立面如圖1，2所示。

試件設(shè)計柱高L=540 mm，鋼管內(nèi)徑D均為180 mm，長徑比L/D=3，鋼管壁厚均為3 mm，徑厚比為60，內(nèi)置型號為I10的工字鋼，試件其他參數(shù)和極限承載力實測值見表1。試驗主要研究參數(shù)為CFRP約束效應(yīng)系數(shù)ζcf、柱截面形式和鋼管受力性能，其中，ζcf=Acffcf/（Acfck），Ac，Acf分別為混凝土和CFRP的橫截面面積，fcf，fck分別為CFRP的拉伸強(qiáng)度和混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

鋼管的受力性能是指短柱在軸心荷載作用下鋼管所處的應(yīng)力狀態(tài)。對于CFRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土試件，由于鋼管在距離上下端部50 mm處各開有一個寬度為10 mm的小槽，在荷載作用下，隔斷了鋼管上軸向應(yīng)力的傳遞，鋼管只承受核心混凝土膨脹所產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力，即鋼管處于環(huán)向受拉的單向應(yīng)力狀態(tài)。對于CFRP約束鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土軸壓短柱試件，鋼管貫穿整個柱身，在軸向荷載作用下，鋼管不僅承受沿豎向的軸向壓應(yīng)力，而且承受核心混凝土膨脹產(chǎn)生的膨脹拉應(yīng)力，即鋼管處于軸向受壓環(huán)向受拉的雙向應(yīng)力狀態(tài)。柱中約束是指碳纖維布或鋼管僅環(huán)向受力，即對混凝土柱在荷載作用下的膨脹變形施加的一種環(huán)向約束。

1.2試件制作

制作鋼管時，首先將鋼板按照設(shè)計尺寸裁好，經(jīng)高精度卷管機(jī)卷制而成，接口焊接，保證焊接質(zhì)量。然后將鋼管兩端在車床上刨平，保證鋼管兩端的平整度和鋼管的垂直度，從而保證鋼管在軸向荷載作用下的垂直度。對應(yīng)每個卷制成的空鋼管加工2塊10 mm厚的鋼蓋板，先將型鋼焊接在其中一塊蓋板上，保證蓋板與型鋼的幾何中心對中；再將空鋼管套在上述型鋼的外部，一端焊接在已焊上型鋼的蓋板上，另一端等澆筑混凝土之后再焊接，保證焊接質(zhì)量。鋼材強(qiáng)度由拉伸試驗確定，按規(guī)范要求的尺寸從原鋼板上裁下做成標(biāo)準(zhǔn)試件，一組3個，并按《金屬材料：室溫拉伸試驗方法》（GB/T 228—2010）[15]進(jìn)行拉伸，得到屈服強(qiáng)度等指標(biāo)，見表2。

混凝土強(qiáng)度等級為C80，配合比見表3。水泥采用大連小野田水泥廠生產(chǎn)的P.O62.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用中粗砂，級配良好；粗骨料采用石灰?guī)r碎石，粒徑5～20 mm；微硅粉采用洛陽匯矽微硅粉有限公司生產(chǎn)的920U級微硅粉；粉煤灰采用河北靈壽云飛礦產(chǎn)加工廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰；礦渣采用大連盛大金?？萍加邢薰旧a(chǎn)的S95級粒化高爐礦渣；減水劑采用西卡公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑?；炷?8 d抗壓強(qiáng)度由同條件下成型養(yǎng)護(hù)的150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊試驗得到，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為84.5 MPa。

在澆筑混凝土?xí)r，首先將混凝土從未焊接蓋板的一端垂直灌入。采用分層灌入法，并用50插入式振搗棒伸入鋼管內(nèi)部振搗，同時用振搗棒在鋼管的外壁振搗，直至鋼管內(nèi)部的混凝土密實。最后，使得混凝土頂部略高于鋼管截面，待自然養(yǎng)護(hù)28 d后，用角磨機(jī)將混凝土磨至與鋼管端面平齊，再將頂部鋼板焊接上，以盡可能保證核心混凝土和鋼管在加載之初就能共同受力。在距離試件上下端部約50 mm處，切割剝離一個寬度為10 mm的圓環(huán)，使鋼管不承受軸向荷載。

上述試件養(yǎng)護(hù)28 d后，在鋼管外部粘貼CFRP纖維布。本文試驗采用日本東麗公司生產(chǎn)的UT70-30碳纖維布，其主要技術(shù)性能見表4。

規(guī)范管理委員會于2001年9月制定的《粘貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土施工與驗收暫行規(guī)定》執(zhí)行，具體步驟如下：

首先用40目的砂紙對鋼管進(jìn)行初步打磨，待鋼管呈銀白色停止打磨，然后用被酒精浸透的紗布擦拭鋼管外壁，直至將肉眼可見的污物擦干凈為止。將甲乙2組分按說明書規(guī)定的比例混合均勻，用刷子將其涂于鋼管外壁，用碳纖維布包裹鋼管，再將碳纖維布刷上膠，直至碳纖維布被完全浸透。用刮板沿環(huán)向反復(fù)碾壓碳纖維布，將內(nèi)部氣泡全部排出；碳纖維布的搭接長度為200 mm；最后將碳纖維布表面均勻涂上浸漬膠，并用刮板反復(fù)碾壓。浸漬膠力學(xué)性能見表5。

1.3測量和加載裝置

試驗在大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實驗室1 000 t試驗機(jī)上進(jìn)行，為了準(zhǔn)確測量試件的應(yīng)變，每個試件在距離上下端部約50 mm處沿環(huán)向等間距布置4個橫向應(yīng)變片，在試件中部布置橫向和縱向應(yīng)變片，共4對。沿試件縱向?qū)ΨQ布置2個LVDT（線性可變差動變壓器），用以測定試件的縱向變形。

試件的加載方式為：在彈性范圍內(nèi)，按力加載，加載速率為1.5 kN·s-1左右；在試件屈服后，按位移加載直至試驗結(jié)束，加載速率為0.3 mm·s-1。采用IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。試驗測量和加載裝置如圖3所示，其中，N為荷載。

2試驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1試驗現(xiàn)象與破壞模式

對試驗全過程進(jìn)行觀測，對于試件A-CTCSRC235-3-I-C0，加載初期試件荷載-位移曲線呈線性關(guān)系，且試件外形無顯著變化；隨著荷載的增加，試件剛度隨之下降進(jìn)入彈塑性階段，試件出現(xiàn)微小鼓曲；當(dāng)達(dá)到峰值荷載附近時，鋼管表面有黑色氧化層脫落；峰值荷載之后，縱向變形繼續(xù)增長而荷載緩慢下降，當(dāng)達(dá)到峰值荷載的85%左右時，荷載-位移曲線逐漸接近水平線，鋼管中部出現(xiàn)鼓曲。試驗結(jié)束后將鋼管剖開，觀察發(fā)現(xiàn)混凝土短柱呈現(xiàn)剪切破壞形態(tài)，混凝土短柱表面分布著許多豎直方向的裂縫。試件破壞后外形如圖4所示。

試件A-STCSRC235-3-I-C0在峰值荷載之前基本與試件A-CTCSRC235-3-I-C0的試驗現(xiàn)象相似；峰值荷載之后，荷載隨著變形增加下降較快，當(dāng)達(dá)到峰值荷載90%左右時，荷載-位移曲線逐漸趨于水平。試驗結(jié)束后，將鋼管剖開，發(fā)現(xiàn)角部混凝土被壓碎，混凝土剪切破壞不明顯。試件破壞后外形如圖5所示。

對于CFRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土柱，峰值荷載之前，柱外觀變形不明顯，伴隨有局部CFRP纖維布斷裂的噼啪聲；隨著柱中部四分之一[CM）][LL][LL]高度范圍的CFRP纖維布突然斷裂，達(dá)到峰值荷載后急速下降，CFRP層數(shù)越多，降幅越大。之后試件的變形以及最終破壞形態(tài)與上述鋼管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱基本相同。試驗結(jié)束后，將鋼管剖開，核心混凝土呈剪切破壞，剪切角在55°～70°之間。柱破壞形態(tài)如圖6所示。

2.2試驗結(jié)果分析

2.2.1CFRP約束效應(yīng)系數(shù)的影響設(shè)CFRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土軸壓短柱的極限承載力為Nu，cf，與其對應(yīng)的鋼管約束型鋼高強(qiáng)混凝土軸壓短柱的極限承載力為Nu，s，定義（Nu，cf-Nu，s）/Nu，s為承載力提高率。圖7為CFRP約束效應(yīng)系數(shù)與承載力提高率的關(guān)系曲線。由圖7可知，CFRP-方鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土軸壓短柱的極限承載力提高率隨著約束效應(yīng)系數(shù)ζcf的增加近似呈線性增加，CFRP-圓鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土軸壓短柱的極限承載力提高率隨著約束效應(yīng)系數(shù)的增加近似呈指數(shù)形式增長，即對于相同混凝土截面面積的圓形柱和方形柱，約束效應(yīng)系數(shù)相同時，CFRP-圓鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土軸壓短柱的承載力提高率高于CFRP-方鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土軸壓短柱的承載力提高率。

2.2.2柱截面形式的影響

圖8為CFRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的荷載-位移（N-Δ）曲線。由圖8可知，對于具有相同混凝土截面面積的圓形和方形鋼管約束型鋼高強(qiáng)混凝土軸壓短柱，圓形截面的承載力明顯高于方形截面，提高率近50%。對于具有相同CFRP層數(shù)的圓形和方形CFRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土軸壓短柱，圓形截面的承載力明顯高于方形截面，而且提高率隨著CFRP層數(shù)的增加而逐漸增大。

2.2.3鋼管受力性能的影響

鋼管的應(yīng)力狀態(tài)對試件的彈性模量有重要影響。圖9為相同CFRP層數(shù)時試件在不同鋼管受力下的荷載-位移曲線。在彈性工作階段，由材料力學(xué)有關(guān)理論可知，圖9中曲線的斜率近似等于試件的彈性模量。因此，除圖9（d）中試件A-CTSRC235-3-I-C4外，CFRP約束鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的彈性模量均高于CFRP鋼復(fù)合約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的彈性模量。在試件進(jìn)入屈服階段前，鋼管處于環(huán)向受拉軸向受壓的雙向應(yīng)力狀態(tài)下，試件的彈性模量高于鋼管僅處于環(huán)向受拉單向應(yīng)力狀態(tài)下的彈性模量。對加載結(jié)束后試件A-CTSRC235-3-I-C4的外觀進(jìn)行細(xì)致觀察，[HJ1.73mm]發(fā)現(xiàn)距上端板下部約20 mm處鋼管明顯向外鼓出，可以得出圖9（d）中試件彈性模量反常主要是由試件上部混凝土澆筑不密實導(dǎo)致的。

鋼管的應(yīng)力狀態(tài)對試件承載力有顯著影響。由圖9可知，CFRP-鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力均高于CFRP約束鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的承載力。當(dāng)鋼管僅處于環(huán)向受拉的單向應(yīng)力狀態(tài)時，鋼管對核心混凝土具有很好的約束效果，能夠顯著提高試件的極限承載力。

2.3CFRP與鋼管協(xié)同工作分析

圖10為鋼管和CFRP纖維布荷載N與環(huán)向應(yīng)變ε的關(guān)系曲線。[HJ2.75mm]由圖10可知，從開始加載到最終CFRP斷裂，CFRP與鋼管的環(huán)向應(yīng)變基本保持一致，說明按照本文說明的步驟粘貼CFRP纖維布可以保證鋼管和CFRP纖維布協(xié)同工作。N-ε曲線表明：進(jìn)入塑性階段后，圓形試件的承載力隨著應(yīng)變的增加而緩慢增加，CFRP和鋼管對核心混凝土的約束較好；方形試件的承載力隨著應(yīng)變增加而逐漸下降，CFRP和鋼管對核心混凝土的約束較差，這就從本質(zhì)上驗證了圓形截面柱的約束效果顯著。

3結(jié)語

（1）CFRP-方鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力提高率隨CFRP約束效應(yīng)系數(shù)的增長呈線性增加；CFRP-圓鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力隨CFRP約束效應(yīng)系數(shù)的增加呈指數(shù)形式增長。

（2）CFRP約束效應(yīng)系數(shù)相同時，相同核心混凝土截面面積的CFRP-圓鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力顯著高于CFRP-方鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的承載力，而且提高率達(dá)到50%。

（3）在彈性工作階段，CFRP約束圓鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的彈性模量高于CFRP-圓鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的彈性模量；CFRP-圓鋼復(fù)合管約束型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力高于CFRP約束圓鋼管型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力。

（4）在保證CFRP粘貼工藝的前提下，CFRP纖維布斷裂前，CFRP與鋼管能夠協(xié)同工作。

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