FRP-混凝土钢管组合方柱偏心受压性能研究

王勇智，王 代，，雷庆强，李趁趁

（1.中州大学 工程技术学院，河南 郑州 450044；2.郑州大学 新型建材与结构研究中心，河南 郑州 450002；3.中交第一公路工程局桥隧工程有限公司，河北 保定 074000）

纤维增强聚合物（FRP）材料具有许多良好的材料性能，如比强度高，比模量大，良好的耐腐蚀性能和抗疲劳性能等.因此，近年来，FRP在既有结构的修复加固以及新建结构中得到越来越广泛的应用.FRP-混凝土-钢管组合柱由外FRP管、内钢管及二者之间填充的混凝土三部分组成.关于FRP-混凝土-钢双壁管柱在轴压、偏压荷载及弯曲荷载下的性能已进行了较多研究[1-5]，由于内外管的约束，核心混凝土的强度和延性均得到较大提高.

方形截面柱因其可靠的梁柱连接方式及易于装修等优点，目前与圆形柱有着几乎同样广泛的应用.在实际工程中，轴心受压是一种较为理想的受力方式，即使理论上设计的轴心受压也可能因为施工偏差、混凝土不均匀性及荷载作用位置的不确定性等原因造成一定程度的偏心，因此，对FRP-混凝土-钢管组合方柱在偏心荷载作用下受压性能的研究具有更大实际价值.文献[4]研究了组合圆柱在小偏心距下的力学性能，但关于FRP-混凝土-钢管组合方柱在偏压荷载下的研究还很有限.本文进行了FRP-混凝土-钢管组合方柱在轴向偏心荷载下的试验研究，重点研究偏心距、FRP布层数对组合柱偏压性能的影响.

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

按偏心距的不同，制作了3个系列共9个试件.试件高度500 mm，试件混凝土外边长150 mm，倒角半径20 mm，所有试件均采用外径为76 mm、厚度为4 mm的钢管.试件具体参数详见表1.

混凝土采用同一设计配合比，设计强度为C40.浇筑用模板如图1所示.鉴于外模板和内钢管之间空间较小，试验所有试件均采用人工分层振捣.成型偏心距不为零的两个系列FRP外管时，首先在试件受拉侧（在混凝土浇筑时已经做好标记）粘贴轴向FRP布，然后缠绕两层环向FRP布.为防止柱头部分在试验中局部被压坏，在两端柱头处分别环向缠绕3层增强CFRP布.

表1 试件设计参数及主要试验结果Tab.1 Details of specimen and key test results

1.2 材性试验

每个试件的混凝土立方体抗压强度如表1，混凝土轴心抗压强度49.2MPa.试验中采用的FRP布均为GFRP布，名义厚度0.17 mm，弹性模量160 GPa，抗拉强度2 650 MPa.拉伸试验得到钢材的屈服强度为331.8 MPa，极限抗拉强度为465.5 MPa.另外，进行了空钢管的轴压试验，试验时采用力控方式加载，加载速率在钢管屈服前为1 kN/s，在钢管屈服后为0.5 kN/s.

1.3 试验量测与加载

偏心距为零的轴心受压试件，在钢管中截面对称位置上分别粘贴1个轴向应变片和1个环向应变片用于测定钢管的应变.在外FRP布中高度截面搭接区外粘贴3个环向应变片量测组合柱的环向应变；偏心受压试件，在钢管中截面对称位置分别粘贴1个轴向应变片用于量测钢管受拉侧和受压侧的轴向应变.在中高度截面外FRP布4个侧面上各粘贴1个轴向应变片用于量测组合柱的轴向应变.

对于偏心距为0的轴心受压试件，在相对两侧对称布置2个位移计用于量测组合柱的轴向变形，位移计标距270 mm.对于偏心受压试件，在受拉侧（粘贴轴向FRP布的侧面）沿柱高四分点布置3个横向位移计，用于量测组合柱的侧向变形，如图2.

试验加载采用200 t电液式压力试验机.通过刀口铰来实现对偏心距的控制，首先固定下端刀口铰于试验机中心位置，然后在上下承压板上画出对应的偏心距刻度线.试件加载前，将试件与压力机进行精确的几何对中与物理对中，以保证试件尽可能仅承受单向偏心荷载作用，从而实现试件在对应偏心距下的加载.应注意使粘贴轴向FRP布的一侧为受拉侧.

严格遵照《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-02)的有关规定进行试验，应变片及位移计读数由IMP动态采集系统自动采集.

图1 成型试件的模板Fig.1 Formwork for casting concrete

图2 试件的量测Fig.2 Measurement of specimens

2 试验现象及结果分析

2.1 试验现象

加载初期，试件表面没有明显变化，随着荷载的增大，受压区开始出现褶皱并有零星响声，受拉区FRP布出现白色细纹，侧向挠度的增长加快，试件的弯曲变形也越来越明显，试件最终因受压区混凝土被压碎、FRP布被撕裂而破坏，见图3.

2.2 极限承载力分析

承载力对比如图4所示，两个相同试件极限承载力取平均值.试件 ESC1可以看作偏心距为0的偏压构件，其极限承载力最大.由图4及表1可知，随着偏心距的增大，试件的极限承载力逐渐减小.偏心距相同的情况下，轴向粘贴2层FRP布试件的承载力大于粘贴1层轴向FRP布的试件，即同一偏心距下试件极限承载力在一定范围内随着FRP布层数的增大而增加，说明FRP布对混凝土的约束作用一定程度上提高了组合柱的承载力.综合比较分析表明，偏心距的大小对试件极限承载力的影响起决定性作用.

2.3 侧向挠度分析

试件在不同受力阶段的侧向挠度曲线见图5a），其中纵坐标为数据采集点位置与柱高的比值， 为数据采集时的荷载与峰值荷载的比值.在加载的初始阶段，挠度曲线上下部分基本趋于对称，并基本接近正弦曲线，随着荷载接近最大荷载值，挠度曲线均呈现出距柱底端四分之三高度处挠度最大的现象，可能受试件高度相对截面尺寸较小的因素影响，且随着荷载的增大，所有试件各测点的挠度逐渐增大，当荷载达到极限荷载时挠度最大.

图5b）为试件ESC2-1a、ESC3-1a、ESC2-2a、ESC3-2a在极限荷载下侧向挠度沿柱高度变化曲线图.结果表明，在外FRP包裹完全相同的情况下，随着偏心距的增大，试件沿柱高度方向上所有侧向挠度最值增大.在偏心距为15mm的情况下，FRP层数对试件侧向挠度影响相对明显，即FRP层数多的试件侧向挠度小；当偏心距为30mm时，两个试件侧向挠度变化曲线几乎重合，说明FRP布层数对试件侧向挠度基本无影响.由此发现，偏心距对试件侧向挠度的变化起主要作用，FRP布层数的影响较小，小偏心距下轴向FRP布能够一定程度上提高组合柱的变形能力.

2.4 轴向应变分析

图3 试验后的试件Fig.3 Specimen after test

图4 承载力比较Fig.4 Bearing capacity histogram

图5 侧向挠度变化曲线Fig.5 Lateral deflection curves

偏心距为0的试件ESC1轴向荷载-应变关系曲线（图6），其中钢管轴向应变、环向应变和组合柱环向应变分别为相应应变片读数的平均值，组合柱轴向应变由两个位移计读数平均值经计算得到，以压应变为正.由图6可知，在应变随着荷载变化的过程中，轴向应变和环向应变基本呈线性增加，环向应变增加相对缓慢，当加载至400 kN，轴向应变迅速增加，这表明钢管在轴向已开始屈服，而荷载-环向应变关系曲线仍维持原来斜率线性变化.在加载的初始阶段，钢管和组合柱的应变曲线基本重合，随着荷载的增大，钢管的轴向应变大于组合柱的轴向应变，而组合柱的环向应变逐渐大于钢管的环向应变.

图6 试件ESC1轴向荷载-应变曲线Fig.6 Axial load-strain curves of ESC1

图7 组合柱轴向荷载-轴向应变曲线Fig.7 Axial load-strain curves of composite columns

图7为偏心受压试件组合柱轴向荷载-轴向应变关系曲线，应变值由FRP布上中截面相应位置应变片得到.由图7可知，偏心距大小对组合柱受压侧轴向荷载-轴向应变曲线影响较为明显，偏心距大的试件其应变值大，且随着荷载的增加，差值逐渐增加.偏心距大的试件ESC3-1a、ESC3-2a受拉侧轴向荷载-轴向应变曲线趋势相似，加载开始即为拉应变，偏心距小的试件ESC2-1a、ESC2-2a荷载-应变曲线则表现为先出现压应变，然后再转为拉应变.偏心距相同时，FRP布层数对组合柱受拉侧应变影响较为明显，随着FRP层数的增多，拉应变值变小，说明粘贴的轴向FRP布发挥其约束作用使得荷载向受拉侧转移，受压侧应变减小.因为应变片是粘贴在外FRP布上，随着荷载的不断增大，FRP布表面将出现细小裂纹，甚至裂缝，这会使正巧粘贴于其表面的应变片损坏，从而导致部分数据不能真实记录应变的变化.应在以后的研究中改进量测方法.

3 结论

1）试件破坏位置主要发生在受压侧中上部位置，由于受拉区FRP的轴向增强，使组合柱的变形能力和承载能力得到一定程度的提高.随着偏心距的增大，试件的极限承载力明显下降，偏心距对试件极限承载力的影响起决定性作用.相同偏心距下，在一定范围内随着轴向FRP布层数的增加，试件极限承载力有所增大.

2）偏心距对试件侧向挠度的变化影响显著，随着偏心距的增大，试件侧向挠度最大值增大.轴向 FRP布层数对试件的侧向挠度的影响较小，小偏心距下轴向FRP布的增加能够小范围地提高组合柱的变形能力.偏心距对组合柱受压侧轴向应变影响较为明显，偏心距大的试件其应变值也大，且随着荷载的增加，差值也逐渐增加.偏心距相同的条件下，轴向FRP布层数多的试件其应变值较小.轴向FRP布层数对组合柱受拉侧应变影响相对较小.

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[5]张冰.FRP管-高强混凝土-钢管组合短柱轴压性能试验研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.