FRP－钢复合管混凝土轴压短柱试验及应用研究

赖用满，魏 洋，李国芬，曹 兴

(1.南京市公路建设处，南京 210008;2.南京林业大学土木工程学院，南京 210037;3.江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州 215011)

钢管混凝土结构［1－2］作为一项比较成熟的技术以其独特的力学特点在现代土木工程中的应用日益广泛，但也存在一些缺点如结构自重大、耗钢量大、耐腐性差等。FRP(Fiber reinforced polymer)纤维增强复合材料制成的筒体内填混凝土形成了FRP管混凝土结构［3－6］同样具有钢管混凝土类似的力学原理，即都是核心混凝土处于三向受压状态，显著提高混凝土结构的承载力，但这一结构也存在一些缺点如剪切强度低，结构刚度低，裂缝或变形控制设计，同时由于FRP的脆性使得结构的延性低等。基于以上两种结构的优点和不足国内有学者提出了FRP－钢复合管混凝土结构［7］，通过“复合”思想使两种结构有机结合，发挥两者特长。即在钢管内填充混凝土，外部缠绕FRP材料而形成的组合结构，从而使钢管内的核心混凝土处于FRP和钢管的双重约束之下，以提高其轴向承载能力，目前主要的横截面形式分为圆形和方形 (如图1所示)。FRP－钢复合管混凝土结构具备FRP管混凝土和钢管混凝土两种结构的优点，同时一定程度地解决FRP管混凝土和钢管混凝土的缺陷与不足，将FRP缠绕粘贴于钢管外表面，可以替代一部分钢管，减小钢管的厚度，降低用钢量，降低厚钢管的加工难度，并为钢管提供耐久性保护，FRP管混凝土和钢管混凝土具有承载力高、延性好及耐久性好等特点。

图1 FRP-钢复合管混凝土结构横截面示意图Fig.1 Cross-section of FRP-steel composite tube concrete structures

目前对圆截面FRP－钢复合管混凝土轴压力学性能进行相关的试验研究 取得了一定的理论成果，但已有的研究成果多采用CFRP一种材料，缺乏一定的对比性。本文研究了 CFRP和BFRP两种不同类型及层数下的轴压短柱对比试验，通过试验初步探讨了不同参数下的圆形FRP－钢复合管混凝土轴压短柱的受力性能，为实际工程的应用提供一点的指导意义。

1 试验概况

1.1 试件的设计

本次试验一共有5个试件，1个对比柱，4个不同纤维类型或层数的FRP－钢复合管混凝土短柱，FRP选用碳纤维 (CFRP)和玄武岩纤维(BFRP)两种，各试件参数见表1。试验中采用的混凝土强度等级为C30，选用的钢管为圆形无缝钢管，外径D为133mm，高度均为400mm，钢材屈服强度平均值364.9MPa，极限强度平均值503.6MPa，混凝土采用C30混凝土，混凝土的抗压强度由相同条件成型养护的边长为150mm的立方体试块测得，其实测立方体强度平均值为46.6MPa。纤维采用纤维布形式，试件所用碳纤维为日本东丽20碳纤维 (CFRP)，厚度0.111mm，实测强度4 067MPa，弹性模量239.8GPa，极限应变1.7%，玄武岩纤维 (BFRP)为浙江石金玄武岩纤维有限公司生产，厚度 0.111mm，强度2 370MPa，弹性模量91.4GPa，极限应变2.6%。

表1 各试件参数Tab.1 Parameters of specimens

1.2 试件制作

钢管在工厂按设计图纸预制完成，为了避免在混凝土浇注的时候底部出现跑浆，在钢管的一端焊接一块5mm厚的矩形薄钢板，另一端浇筑混凝土，浇筑混凝土时应保持钢管竖直 分层浇筑振捣 完成后在自然条件下养护28d。

粘贴纤维布前钢管混凝土外表面难免会生锈以及浇筑混凝土时溢出的混凝土，这些都会严重影响纤维的粘贴效果，所以在粘贴纤维之前必须对钢管外表面的进行打磨处理。纤维布环向粘贴，粘贴前用拌制好的慧鱼胶浸透纤维布，确保纤维布与试件完全粘合，搭接长度15cm，搭接方式如图2所示。纤维布粘贴完成后用塑料薄膜包裹养护24h。

为了准确地测量各试件的应变，在每个试件钢管外壁和纤维外侧中截面处沿周长布置环向和纵向电阻应变片各2个。应变片粘贴示意图如图3所示，制作好的成型试件如图4所示。

图2 FRP粘贴搭接方式Fig.2 Lap-splice of FRP

图3 应变片的粘贴位置示意图Fig.3 Strain gauges layout

图4 成型试件Fig.4 Specimens

1.3 试验加载方案

本次试验加载仪器采用3 000 kN微机控制电液伺服岩石试验机 采用平板铰加载 有关应变和位移的试验数据由TDS303静态电阻应变采集系统进行数据采集。试验时在试件两边对称布置2个外置位移计，并在垂直布置试验机配套使用的位移计1个。同时对试件进行了比较精确的几何和物理对中，以确保轴心受压。

在弹性范围内，进行几次预加载，预压至极限荷载的20%左右，一般设为200kN，以100kN/min的速率加载。预压过程中用应变片读值进行物理对中，反复3次，消除间隙影响，在保证弹性阶段各截面中部对应应变值比较接近时，进行正式加载。

正式加载阶段为了避免有空隙对试验造成干扰，初荷载设为5kN。本次试验采用连续加载制，正式加载先采用荷载控制，速率采用50kN/min，接近钢管屈服时，即荷载－位移曲线斜率明显减小时。当钢管屈服后，改用变形控制，0.3mm/min，接近破坏时，慢速加载，0.1mm/min。

2 试验现象与结果分析

2.1 试验现象

对比柱C－0试件，即为钢管混凝土短柱的轴压破坏特征;C－B1及C－B2试件，加载初期外观无明显变化，BFRP虽没有明显的破坏迹象但有明显的响声，随着荷载的增加，中部膨胀越来越明显，BFRP断裂的响声也更大。当荷载接近最大荷载时 试件中下部的 断裂脱落加剧 同时钢管屈曲加大，直至试件破坏;C－C1及C－C2试件，加载初期处于弹性阶段，试件外观无明显变化。随着荷载的不断增加，CFRP有零星的断裂声，试件的中部开始出现局部凸曲。当荷载达到极限荷载时，可听到CFRP的暴裂声，中部的CFRP完全断裂，此时钢管的塑性变形明显，随着上部和下部的CFRP也不断的断裂，试件的最终承载力与钢管混凝土轴压短柱大致吻合，构件保持一定的残余承载力。典型试件破坏过程如图5所示 (CC1)，分别经历纤维断裂和钢管屈曲等过程。

2.2 试验结果对比分析

通过对试验获取的大量数据处理后，得到荷载－位移关系曲线，并对曲线进行分析对比。由图6可看出不论是CFRP还是BFRP，在弹性变形阶段，其荷载－位移关系几乎相同，这是因为在此阶段由混凝土和钢管承受压力，纤维基本不受力，此时纤维对荷载变形关系影响很小。当进入弹塑性变形阶段，FRP的类型和层数对试件轴压短柱承载力的贡献越来越明显。从图中可以看出，在相同FRP层数的情况下，CFRP和BFRP对比，前者约束的钢管混凝土峰值荷载较大，后者对增强试件的延性提高效果明显，这是由于前者的弹性模量较大、极限应变较小，而后者正好相反。

图5 典型试件破坏过程 (C－C1)Fig.5 Typical failure process of specimens(C-C1)

图6 相同层数不同类型FRP增强效果对比分析Fig.6 Strengthening effect of different types of FRP with same layers of FRP

图7 FRP对各试件极限承载力提高的对比分析Fig.7 Contrast analysis of ultimate loading capacity enhancement effect of FRP

表2 各试件极限承载力的对比分析Tab.2 Contrast analysis of ultimate loading capacity of specimens

由图7和表2给出FRP对各试件承载力提高的对比分析，随着FRP的层数增加，极限荷载随之增加，CFRP的提高效果明显好于BFRP。相对于对比试件B－0，试件C－B1、C－B2、C－C1、C－C2与钢管混凝土对比柱C－0相比分别提高了2.2%、20.6%、25.8%和34.8%，可以看出在承载力提高方面，1层CFRP相当于两层BFRP的效果。

3 FRP－钢复合管混凝土抗震桥墩的试点工程应用

针对近年来桥墩在地震中的破坏特点，桥墩的抗震设计理念越来越受到研究人员的重视，同时某些特殊场合下，桥墩的截面受到限制，为此南京市公路建设处及南京林业大学等有关单位在南京绕越高速公路东北段的程桥枢纽匝道B匝道、C匝桥两个桥墩 (B匝道的14#墩、C匝道7#墩)，进行FRP－钢复合管混凝土桥墩的设计与应用，程桥枢纽B匝道、C匝道跨越宁连高速，其中，B匝道的14#墩、C匝道7#墩位处宁连高速的中央分隔带，尺寸大小受到严重限制，特别采用了新型FRP－钢复合管混凝土桥墩结构，以达到减小截面尺寸、缩短施工工期的目的。

经计算设计，该桥墩采用圆截面设计形式，4#墩高度5.671m，7#墩高度6.409m，两桥墩除高度不同外，其余结构形式及采用均相同，桥墩整体构造如图8(a)所示。钢管选用Q235－C钢板，外径1.6m，厚度 t=10mm，FRP选用厚度为0.167mm的300g/m2碳纤维 (CFRP)，桥墩底部2.5m范围横向采用2层碳纤维环向复合，底部

范围以外采用 层碳纤维环向复合 混凝土采用C30混凝土。桥墩与桩基础不设承台而直接连接，桥墩柱脚埋入桩基础顶部深度为1.1m，通过桩基纵筋与钢管焊接连接，并采用直径10mm环向钢筋加强，如图8(b)所示。FRP外侧涂抹两层灰色复合材料专用涂料，具有抗紫外线功能，同时其外观如同混凝土自然颜色，美观大方。目前该桥墩正在建设中，相信在实践应用中能达到预期的良好效果。

图8 FRP－钢复合管混凝土桥墩在工程实践中的应用Fig.8 FRP－steel composite tube concrete piers in engineering practice

4 结论

通过对4个不同纤维类型和层数的FRP－钢复合管混凝土短柱和1个对比短柱的轴压试验，分析了各试件的荷载－位移关系曲线，了解该结构在不同设计参数下的受力特性，并简要介绍了FRP－钢复合管混凝土桥墩在工程实践中的应用情况。在本次试验参数的范围内，根据试验结果可以得到如下结论:

(1)FRP－钢复合管混凝土的破坏过程基本都从试件中部处开始发生FRP断裂，然后逐渐沿周向扩展，FRP逐渐丧失对钢管的约束力，随后构件保持一定的残余承载力。

(2)无论是CFRP还是BFRP对复合管混凝土试件，随着FRP的层数增加，极限荷载随之增加。

(3)在相同FRP层数的情况下，CFRP－钢复合管试件和BFRP－钢复合管试件对比，CFRP－钢复合管试件的混凝土峰值荷载较大，后者的延性提高效果明显，这是由于前者的弹性模量较大、极限应变较小，而后者正好相反。

目前基于本次试验的指导思想，FRP－钢复合管混凝土桥墩试点工程正在南京绕越高速公路东北段的匝道桥建设中，相信在实践应用中能达到预期的良好效果。

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