圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)分析

舒一展

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

0 引言

圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)體系相對(duì)成熟，但為了明確其客觀規(guī)律，就要在對(duì)其進(jìn)行橫向研究的過(guò)程中，配合相應(yīng)的技術(shù)措施，使已有結(jié)構(gòu)在發(fā)展的過(guò)程中，激發(fā)出新的生命力，并對(duì)工程實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行更加高效的解決與優(yōu)化改良，使圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)的前景更加廣闊。

1 圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 研究與應(yīng)用

就當(dāng)前的情況來(lái)看，有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)豐富，且系統(tǒng)性較強(qiáng)、成果多樣。例如，我國(guó)有關(guān)研究學(xué)者提出了以“統(tǒng)一理論”為代表的一系列理論，為鋼管混凝土統(tǒng)一設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件，且相應(yīng)理論研究的先進(jìn)性位于世界前列。在實(shí)踐方面，我國(guó)也擁有極為豐富的鋼管混凝土工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，且在全國(guó)各地均擁有大量成果（建筑）。以遼寧地區(qū)為例，省內(nèi)包含的高層建筑有沈陽(yáng)方圓大廈、大連邊業(yè)銀行大廈、鞍山移動(dòng)通訊大樓、撫順市公安局大樓、大石橋市利德大廈等等。從世界范圍內(nèi)來(lái)看，鋼管混凝土的應(yīng)用范圍更加廣泛，例如，在超高層建筑結(jié)構(gòu)、橋梁工程、工業(yè)廠房柱、送變電桿塔、地鐵站臺(tái)柱等項(xiàng)目的施工建設(shè)中，均引入了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

1.2 必要性

在工程建設(shè)實(shí)踐中，并不存在一種結(jié)構(gòu)形式是完美無(wú)缺的。對(duì)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其雖然有著較高的使用優(yōu)勢(shì)，且在當(dāng)前得到了廣泛應(yīng)用，但是其中仍存在一些缺陷。多個(gè)土木工程建設(shè)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)鋼管混凝土柱所承受的實(shí)際荷載量相對(duì)較高時(shí)，構(gòu)件截面積相對(duì)較大，此時(shí)，為了滿足鋼管混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)緊箍力的現(xiàn)實(shí)要求，必須要引入管壁厚度更高的鋼管。在這樣的情況下，工程中的用鋼量大幅增加，且厚管壁、大直徑的鋼管采購(gòu)難度更大，增加了整體施工的難度與成本；如果在施工中引入雙層鋼管，雖然能夠滿足上述要求，但是也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際施工難度的增加；如果在施工中引入高強(qiáng)鋼管，則會(huì)導(dǎo)致施工的整體造價(jià)明顯上漲。總體來(lái)說(shuō)，上述問(wèn)題的解決有待進(jìn)一步解決，需要進(jìn)行重點(diǎn)探究。

2 圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)可行性分析

2.1 FRP 技術(shù)應(yīng)用

FRP（纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料）是一種由纖維材料與基體材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料，由于其具有高度耐腐蝕、自重輕等優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前的土木工程中得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)階段，土木工程中應(yīng)用FRP 筒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在兩種常見形式：①對(duì)已有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造升級(jí)、加固或是翻新，實(shí)現(xiàn)受載后增強(qiáng)。該形式在目前土木工程項(xiàng)目中更常使用。②在結(jié)構(gòu)受載的前期，使用纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料對(duì)鋼材進(jìn)行部分或是完全替代，因此達(dá)到增強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的效果，實(shí)現(xiàn)事先增強(qiáng)。相比較來(lái)說(shuō)，世界范圍內(nèi)有關(guān)于事先增強(qiáng)的研究數(shù)量較少。當(dāng)前受到重點(diǎn)關(guān)注的研究為用FRP 筒體兼作模板，并內(nèi)部澆筑鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)形式（FRP 筒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）。但是，F(xiàn)RP 的造價(jià)成本較高，且應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中容易出現(xiàn)筒體破裂的問(wèn)題。基于此，筆者提出了一種圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)形式，能夠在保留圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和FRP 筒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)兩者缺陷的彌補(bǔ)。

2.2 可行性分析

圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土的具體結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)為是CFRP 材料為外壁材料、鋼材的復(fù)合材料為內(nèi)壁材料，圓管內(nèi)澆筑混凝土的結(jié)構(gòu)形式。在使用圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)之前，首先應(yīng)根據(jù)其具體特點(diǎn)與使用要求，來(lái)對(duì)其在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的可行性進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)確保其能夠提供相應(yīng)的禁錮力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土機(jī)構(gòu)穩(wěn)固性的提升。而在此過(guò)程中，需要其能夠滿足兩個(gè)主要條件。即約束筒體的泊松比小于被約束材料的泊松比、約束筒體自身具有較高的環(huán)向剛度與強(qiáng)度。而且在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，需要其圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)能夠在應(yīng)用時(shí)，使CFRP 與鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)的之間的關(guān)系保持協(xié)調(diào)，并且在應(yīng)用的過(guò)程中CFRP 與鋼管的泊松比應(yīng)當(dāng)為0.3 左右，兩者之間能夠保持一個(gè)相似的特點(diǎn)，以提供對(duì)應(yīng)的禁錮力使圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)在整體上的穩(wěn)定性。而且在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，能夠發(fā)現(xiàn)CFRP 的彈性模量應(yīng)當(dāng)能夠保持與鋼材一致，并且在整體強(qiáng)度上要由于不同鋼材，因此其禁錮力的施工效果可以得到保障。這使得從受力分析以及受力性能的角度上來(lái)看，應(yīng)用圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提升來(lái)說(shuō)有著十分重要的作用。

2.3 關(guān)鍵問(wèn)題研究

在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)的使用能夠基于其自身內(nèi)部各材料之間的相互作用與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使其在實(shí)際應(yīng)用中的效用要更加優(yōu)異。但基于其自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。在對(duì)其進(jìn)行研究的過(guò)程中，需要從CFRP 管、鋼管、受約束混凝土這三種材料在使用過(guò)程中的荷載作用的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系出發(fā)進(jìn)行確認(rèn)，并對(duì)這三種材料的相互作用，以及CFRP 管的約束相應(yīng)以及其最為合理的配置率能夠進(jìn)行明確，從而使在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，整體的效益與質(zhì)量得到保障。為此，在進(jìn)行研究的過(guò)程中，可以通過(guò)建立起彈性、彈塑性、塑性、強(qiáng)化、二次塑流的五段線關(guān)系模型來(lái)進(jìn)行鋼材的本構(gòu)關(guān)系研究。而在對(duì)CFRP 進(jìn)行研究的過(guò)程中，需要應(yīng)用線彈關(guān)系來(lái)進(jìn)行研究。對(duì)于受約束混凝土的本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，借鑒圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的最新研究成果來(lái)確定[2]。而在對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的過(guò)程中，需要對(duì)其約束效應(yīng)吸收進(jìn)行明確，從而對(duì)材料的相互作用進(jìn)行衡量與明確。在對(duì)其進(jìn)行研究的過(guò)程中，需要對(duì)鋼管的橫截面面積、鋼材的屈服強(qiáng)度、混凝土的橫截面面積、混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行獲取，以了解鋼管的約束效應(yīng)。而研究CFRP 管對(duì)混凝土產(chǎn)生的約束效應(yīng)，使需要吊CFRP 管的約束效應(yīng)吸收，以及CFRP 管的橫截面面積、CFRP 的抗拉強(qiáng)度、折減系數(shù)進(jìn)行明確。為此，在對(duì)鋼材與CFRP 之間的約束效應(yīng)系數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，可以通過(guò)公式來(lái)對(duì)CFRP 管與鋼管的約束效應(yīng)系數(shù)比進(jìn)行研究，從而明確CFRP 的配置使構(gòu)件內(nèi)容能否符合FRP 筒鋼筋混凝土構(gòu)件的實(shí)際狀態(tài)。通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ξ′較小時(shí)，構(gòu)件的性質(zhì)更趨近于圓鋼管混凝土構(gòu)件，ξ′較大使時(shí)，構(gòu)件則更趨近于FRP 筒鋼筋混凝土構(gòu)件。而如果ξ′=0 且ξ=ξs 那么構(gòu)建更趨近于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

綜上所述，圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)涉及了CFRP 管、鋼管、受約束混凝土等材料的應(yīng)用。特別是其中的FRP（纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料）材料具有高度耐腐蝕、自重輕的優(yōu)點(diǎn)。為此，就要在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，基于相應(yīng)的研究模式，對(duì)圓截面CFRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以保障其使用質(zhì)量與效果。