GFRP約束混凝土短柱力學(xué)性能及工程應(yīng)用

崔玉奇 姜景山 戈宇 張九漢 高樂 徐凱 孟鵬飛 張超

【摘 要】GFRP約束混凝土短柱是在預(yù)先制成的GFRP管內(nèi)澆灌混凝土形成的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)短柱，具有耐腐蝕、抗疲勞性好、施工方便、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點。文章介紹了GFRP約束混凝土短柱的優(yōu)點及其工作原理。從抗震性能和軸壓性能兩個方面闡述GFRP約束混凝土短柱力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合GFRP約束混凝土短柱的工程應(yīng)用，提出其未來研究的方向。

【關(guān)鍵詞】GFRP管;抗震性能;軸壓性能;工程應(yīng)用

【中圖分類號】TU398.9 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0102-03

0 引言

縱觀我國目前的建筑結(jié)構(gòu)形式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，雖然鋼筋混凝土具有剛度大、整體性好、承載力高等優(yōu)點，但是鋼筋的銹蝕和混凝土的開裂一直是困擾工程建設(shè)的大問題。GFRP混凝土柱不僅具備上述結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，而且還能克服上述結(jié)構(gòu)的缺點。自GFRP管混凝土誕生之日起，就吸引了廣大科學(xué)家的關(guān)注。近年來，隨著科學(xué)家對于其研究的深入，GFRP混凝土柱在高層建筑、橋梁結(jié)構(gòu)、地下工程等工程中得到廣泛應(yīng)用。

1 GFRP約束混凝土柱的基本原理及結(jié)構(gòu)特點

1.1 基本原理

混凝土是一種脆性結(jié)構(gòu)，受壓容易開裂。GFRP管是一種薄壁結(jié)構(gòu)，受力容易彎曲。將混凝土澆灌進(jìn)預(yù)先設(shè)計好的GFRP管中，由于澆灌了混凝土，GFRP管的彎曲受到了阻礙，因此可以延緩或者阻止GFRP管彎曲，而混凝土受到外圍GFRP管的約束，使其在受力狀態(tài)下處于三向受力，并且其開裂受到約束，使混凝土需要相對于原來更大的力才會開裂，提升了混凝土柱的延展性和承載力。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

（1）承載力高、抗震性能好。在GFRP管內(nèi)灌注混凝土，使GFRP管的局部穩(wěn)定性得到提高，同時GFRP管使混凝土在受力后開裂得到阻礙，使其需要在更高的作用力下才會開裂，提高了混凝土的核心承載力，使其表現(xiàn)出良好的抗震性能。

（2）耐腐蝕性好。GFRP管化學(xué)性能穩(wěn)定，不會與酸堿鹽發(fā)生反應(yīng)，能夠有效抵抗氯離子的腐蝕，可以代替不銹鋼材料，并且在惡劣環(huán)境下也能保持良好的工作性能，適合在沿海、地下潮濕環(huán)境中使用[1]。

（3）電性能好。GFRP材料是電磁中性，具有優(yōu)良的絕緣性，能夠用來制作絕緣體，在高頻電的刺激下依然能夠保持良好的絕緣性，如今已被廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)天線罩之類的產(chǎn)品生產(chǎn)中。

（4）經(jīng)濟(jì)效益好、施工方便。GFRP材料相對于其他纖維復(fù)合材料，價格便宜、取材便利。同時，GFRP管可作為施工過程中澆筑混凝土的模板，能節(jié)省模板費用，加快施工速度，也可以根據(jù)工程的需求，預(yù)先定制，節(jié)省施工時間，降低人工成本。

（5）防火性好。GFRP是一種電磁中性材料，具有傳熱慢、瞬時耐高溫等特點，使其在發(fā)生火災(zāi)時可以減緩火勢的增大，使人們有更多的時間自救，也減緩了建筑物的坍塌速度，為摩天大樓之類的建筑的消防問題找到了解決辦法[2]。

（6）質(zhì)量輕、比強度高。相對于普通鋼材，GFRP的質(zhì)量輕，甚至比鋁還輕，但是其機械強度接近于碳素鋼，使其能夠成為結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，同時GFRP的比強度高，其比重為1.4～2.0，而鋼材的比重接近其4倍。

（7）可設(shè)計性好。GFRP材料可以根據(jù)工程的使用環(huán)境、荷載要求等，改變原料的數(shù)量比例等，設(shè)計出在特定方面專用的產(chǎn)品。

2 GFRP約束混凝土柱力學(xué)性能的研究

2.1 GFRP約束混凝土柱抗震性能研究現(xiàn)狀

顧冬生對于5根高軸壓比GFRP短柱進(jìn)行試驗，探求GFRP加固高軸壓比鋼筋混凝土短柱的抗震性能。試驗結(jié)果表明，GFRP加固高軸壓比鋼筋混凝土短柱的延展性更好和承載量更大，相對于普通混凝土柱試件，具有較好的抗壓性能[3]。

Saadatmanesh通過FRP加固矩形截面鋼筋混凝土橋墩滯回性能試驗探求其抗震性能，試驗結(jié)果表明，加固后的試件的延展性和耗能能力得到了提升，其核心承載力得到了提高，具有良好的抗震能力[4]。

卓衛(wèi)東和范立礎(chǔ)通過擬靜力和地震模擬振動臺模型試驗探求GFRP管-混凝土組合橋墩的抗震性能，其模擬的數(shù)據(jù)是1.28%。實驗結(jié)果表明，GFRP管-混凝土組合橋墩具有良好的抗震性能，相對于普通混凝土橋墩，其在地震中損壞的概率大大降低[5]。

Shao和Mirmiran在低周反復(fù)加載的情況下，探求GFRP管的纖維鋪設(shè)層數(shù)和加鋼筋是否對GFRP約束混凝土抗震性能有影響，實驗結(jié)果表明，纖維鋪設(shè)層數(shù)沿縱向較少時，GFRP約束混凝土柱發(fā)生脆性破壞的可能性較低，纖維鋪設(shè)層數(shù)沿縱向較多時，GFRP約束混凝土柱發(fā)生脆性破壞的可能性較高，同時GFRP管混凝土柱鋪設(shè)適量的鋼筋能夠有效地改善其抗震性能[6]。

從上述實驗看出，GFRP管能夠有效地提高混凝土柱的抗震性能，并且其衍生出的其他GFRP管混凝土結(jié)構(gòu)也能有效地提高混凝土柱的抗震性能，目前對于GFRP約束混凝土的短柱的抗震性能的實驗研究已經(jīng)較為充足，但是對于長柱及衍生出的其他GFRP再生混凝土柱及鋼骨混凝土柱的抗震性能的研究還是較少的，需要學(xué)者們進(jìn)一步實驗，探求更多有關(guān)GFRP管混凝土柱中的實驗參數(shù)對于其抗震性能的影響。

2.2 GFRP約束混凝土軸壓性能的研究現(xiàn)狀

王清湘等人在2009年通過有無GFRP套管鋼筋混凝土短柱軸壓性能的對比試驗，探求GFRP管的受力方式，混凝土強度等對于GFRP套管鋼筋混凝土組合短柱軸壓力學(xué)性能的影響，試驗表明，混凝土的強度和變形能力在配置GFRP管后得到很大的提升[7]。

楊俊杰等人在2014年通過GFRP約束混凝土柱承載力軸壓性能試驗得出纖維鋪設(shè)角度混凝土強度對GFRP約束混凝土柱極限承載力和延展性的影響。試驗結(jié)果表明，隨著纖維鋪設(shè)角度的增加，混凝土柱的承載力和極限應(yīng)變減小，隨著混凝土強度的增高，混凝土柱的承載力增加，但是極限應(yīng)變力有所下降[8]。

宋志剛等人為了將GFRP約束混凝土更好地應(yīng)用到實際施工中，對于其承載力進(jìn)行研究，通過ABAQUS模擬分析，探求其壁厚、混凝土強度、鋼骨剛度及其截面面積對于柱的軸壓性能的影響，通過控制其他變量一致，改變要研究的變量，通過有限元軟件讀取其極限承載力，探求相關(guān)變量對于GFRP管混凝土軸壓性能的影響。實驗結(jié)果表明，壁厚、混凝土強度、鋼骨強度及其截面面積的增加能夠使軸壓性能提高[9]。

張東興等人為了探求GFRP管增強混凝土柱的力學(xué)性能，在單軸壓力的情況下進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果表明，受GFRP管的約束，混凝土柱的強度和韌性得到了較大提升，從而證實了GFRP管約束混凝土的可行性[10]。

周樂等人為了研究FRP管的纖維纏繞角度、管厚對GFRP約束混凝土軸壓性能的影響，進(jìn)行了4根FRP管約束混凝土柱軸壓性能試驗，試驗結(jié)果表明，F(xiàn)RP約束混凝土柱的軸壓性能隨著FRP管的纖維纏繞角度增大而減小，隨著FRP管纖維纏繞角度的減小而增大，同時隨著FRP管直徑的增大，F(xiàn)RP約束混凝土的軸壓性能增強[11]。

上述實驗主要探求各種實驗參數(shù)對混凝土柱軸壓性能的影響，并總結(jié)得出規(guī)律。考慮到組合柱通常處于偏心受壓的情況，對于在該種情況下的實驗研究還需加強，同時考慮到GFRP管的特點，學(xué)者也可以依據(jù)GFRP管的特點，在具體的情況下開展實驗研究，使GFRP管的優(yōu)點得到充分利用。

3 工程應(yīng)用

鑒于GFRP管混凝土柱的價格相對于其他纖維復(fù)合混凝土短柱的價格便宜，自面世以來，它得到廣泛應(yīng)用。考慮到GFRP材料的防火性、承載力高及耐腐蝕等特點，它在下列工程中起到了很大的作用。

（1）高層建筑結(jié)構(gòu)。GFRP約束混凝土柱由于抗震強、承載力高等特點，所以在高層建筑中得到推廣，其優(yōu)化了高強度混凝土柱的脆性問題，在一定程度上解決了高層建筑的胖柱問題，同時解決了鋼管混凝土的銹蝕問題，極大地提高了混凝土柱的使用壽命。

（2）橋梁工程結(jié)構(gòu)。橋梁工程跨度大，GFRP約束混凝土短柱彈性性能好，很好地滿足了大跨度結(jié)構(gòu)的需求。同時，對于橋梁入水部分特別是要浸泡在海水中部分，GFRP作為一種耐腐蝕材料能夠延長工程的使用壽命。

（3）地下工程。由于地下環(huán)境潮濕，所以鋼筋容易生銹，使鋼筋混凝土柱的使用壽命大打折扣，導(dǎo)致工程質(zhì)量降低，并且提高了日常維護(hù)成本，而GFRP材料優(yōu)秀的耐腐蝕性能夠在惡劣的環(huán)境中保持良好的工作性能，能延長地下工程的使用壽命，同時GFRP材料便宜，為建設(shè)單位節(jié)約了成本。

（4）防護(hù)工程?；炷潦且环N脆性結(jié)構(gòu)，在防護(hù)工程遭受爆炸和沖撞時極易開裂，因此普通混凝土不滿足防護(hù)工程的防護(hù)要求，以前主要采用增強混凝土的強度和鋼纖維混凝土增強防護(hù)工事的防護(hù)強度，而混凝土的脆性會隨著強度的增大而增大，鋼纖維會造成混凝土結(jié)塊，對于提升防護(hù)工事的防護(hù)性起不了太大的作用。如今，應(yīng)用GFRP混凝土可以杜絕上述問題，并且能夠提升防護(hù)工事的強度。

4 應(yīng)用前景與展望

隨著綠色環(huán)保的建筑概念深入人心，以及我國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，GFRP管將更多地被應(yīng)用到建筑中，節(jié)約建筑成本。GFRP管在原材料、生產(chǎn)工藝的開發(fā)過程中能減少污染，并且可以將GFRP以其他形式應(yīng)用于建筑中，充分利用GFRP材料的優(yōu)點[11]。目前，實驗研究主要集中于對短柱的研究，而實際應(yīng)用中長柱才是主體，所以要加強對長柱狀態(tài)下GFRP約束混凝土力學(xué)性能的研究。

為了節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，最大限度地發(fā)揮GFRP管的優(yōu)勢，人們需要在設(shè)計使用GFRP約束混凝土柱的時候，找到GFRP管最佳的徑厚比，防止管壁太薄，導(dǎo)致GFRP管的約束能力不夠，也要防止管壁太厚，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能不能得到充分發(fā)揮[12]。

5 結(jié)語

GFRP管混凝土是由GFRP管和混凝土組合的結(jié)構(gòu)，隨著人們對于耐火性和抗震性能及經(jīng)濟(jì)效益的追求，人們可以基于現(xiàn)有的材料組合出類似GFRP鋼骨混凝土柱的其他新結(jié)構(gòu)，綜合各種材料的優(yōu)點。隨著各種新型材料的面世，會涌現(xiàn)更多具有良好力學(xué)性能的組合材料。

大量的實驗和工程應(yīng)用表明，GFRP管能提高混凝土的性能，兩者的結(jié)合既保留了雙方了優(yōu)點，又解決了兩者的問題?；炷磷柚沽薌FRP管薄壁結(jié)構(gòu)局部發(fā)生彎曲，而核心混凝土又因為GFRP管的約束提高了核心承載力，但是目前的研究還局限在低周反復(fù)荷載和短柱領(lǐng)域，未來需要學(xué)者做更多的實驗予以補充和完善。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周曦亞.復(fù)合材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]高嵩.GFRP在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].中國西部科技，2004（6）：21.

[3]顧冬生，吳剛，吳智深，等.CFRP加固高軸比鋼筋混凝土柱抗震性能實驗研究[J].工程抗震與加固改造，2006，28（6）：71-77.

[4]H Saadatmanesh，M R Ehsani，L Jin.Seismic ret-rofitting of rectangular bridge columns with composite straps[J].ACI Structural，2002，99（1）：72-80.

[5]卓衛(wèi)東，范立礎(chǔ).GFRP管-混凝土組合橋墩的概念及其抗震性能[J].福州大學(xué)學(xué)報，2005，33（1）：73-79.

[6]Shao Y，Mirmiran A.Experimental investigation of cyclic behaviorof concrete-filled FRP tubes[J].Jo-urnal of Composites for Con-struction，ASCE，2005，9（3）：263-273.

[7]王清湘，阮兵峰，周樂.GFRP管混凝土組合柱軸壓性能研究[J].工業(yè)建筑，2009，39（10）：72-75.

[8]楊俊杰，周濤，章雪峰.FRP管實心混凝土承載力的軸壓實驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2014，44（22）：73-89.

[9]宋志剛，樊成，宋力.GFRP管混凝土軸壓短柱承載力研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2017，36（10）：11-15.

[10]張東興，黃龍男，王榮國，等.玻璃鋼管混凝土柱力學(xué)性能的試驗研究[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，2000，33（1）：73-76.

[11]周樂，王連廣，秦國鵬.FRP管高強混凝土軸壓力學(xué)性能研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，25（1）：121-124.

[12]李瑞英.玻璃纖維增強塑料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用[J].上海建材，2010（2）：10-12.