轴心受压下GFRP管-型钢-混凝土组合柱的尺寸效应

张云峰，　吴紫阳，　袁朝庆

(东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)



轴心受压下GFRP管-型钢-混凝土组合柱的尺寸效应

张云峰，吴紫阳，袁朝庆

(东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)

为研究尺寸效应对GSC组合柱力学性能的影响，对24根GSC组合柱试件进行轴心受压实验，通过荷载-应变曲线，分析尺寸效应对GSC组合柱轴心受压下力学性能的影响规律。结果表明：随着构件尺寸的增大，极限承载力和延性逐渐降低，且在构件尺寸较小时，削弱程度较高，尺寸较大时，削弱程度则相对比较低;提高混凝土强度等级，会使尺寸效应减弱。该研究为GSC组合柱的实际应用提供了依据。

GFRP管-型钢-混凝土组合柱； 轴心受压; 荷载-应变曲线； 尺寸效应

0　引　言

纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer，FRP)包括玻璃纤维增强材料(GFRP)和碳纤维复合增强材料(CFRP)。它具有抗腐蚀能力强、耐久性好、抗拉强度高、自重小、可塑性强等特性。随着FRP管组合结构的研究与发展，GSC组合柱集众多优点于一身，一经提出，就受到了国内外学者的广泛关注。由于组合柱内部型钢的存在，使其抗剪能力和抗震延性得到提高。核心混凝土的存在也解决了GFRP管这种薄壁构件的稳定问题，有效防止局部屈曲破坏。同时，由于GFRP管的约束，核心混凝土处于三向受力状态，其强度和延性得到提高，内部型钢和混凝土也受到GFRP外管的有效保护。

尺寸效应是准脆性材料的固有特征，指的是材料的力学性能不再是一个常数，随着结构尺寸的变化而变化。即在不同的尺寸下，材料的力学性能会产生差异。出于安全考虑，尺寸效应对实际应用具有不可忽略的影响，因此，笔者开展对GSC组合柱尺寸效应影响的研究。

1　实验过程

1.1实验构件

为研究尺寸效应对GSC组合短柱轴心受压下力学性能的影响规律，包括GFRP管、混凝土和型钢在极限状态下的破坏形态，及其破坏模式、极限承载能力以及延性性能的影响，根据混凝土强度等级不同，将试件分为两组，每组四根柱，每组四个试件的尺寸成比例变化，同时控制其他影响因素确保相同，以此方法进行实验分析。GSC构件如图1所示。

图1　GSC构件

实验用轴压24根GSC组合短柱，根据混凝土强度等级的不同将其分为A、B两组，混凝土有C30和C40两种强度等级，每组各有四种不同尺寸的构件，分别为100 mm×300 mm、150 mm×450 mm、200 mm×600 mm、250 mm×750 mm，每种尺寸相同的构件各有三根，保持所有构件GFRP管的厚度、配钢率、长径比相同。所有试件GFRP管厚度为4 mm，配钢率保持在9%左右，长径比都为3。

1.2材料性能参数

实验所用GFRP管为预制GFRP管，由大庆市某玻璃纤维钢管生产有限公司生产制造， GFRP管的相关材料性能参数：相对密度为2.68，模量22 GPa，比模8.21，控伸强度0.43 GPa,比强度为0.16 GPa，热胀系数7.5×10-6℃，延伸率4.8%。

实验所用混凝土强度等级分别为C30、C40，采用大庆蒙西水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，各项物理力学性能指标均符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》的规定。C30和C40的混凝土配比见表1。表1中ρs、ρn、ρc、ρz分别表示水、水泥、砂子和石子。

表1　C30和C40混凝土配合比

1.3实验测点布置及测量装置

实验的测点主要为应变测点和位移测点。A、B两组试件的测点布置在沿环向每隔90°、轴向的四等分点上各粘贴一片轴向应变片和环向应变片，每根柱一共12个应变测点。所有应变片的应变读数、加载设备的荷载均由DH-3818静态应变测量仪实时记录。应变测点布置见图2a，另外，在柱前后两侧各布置两个百分表，分别测量试件的环向位移和轴向位移，应变测量仪见图2b。

a　应变测点布置

b　应变测量仪

1.4实验加载方案

采用单调轴向压力实验，所有试件均在500 t微机控制电液伺服压力实验机上进行实验。采用荷载控制进行加载，加载速率为2.5 kN/s。试件进行几何对中，对中满足要求后，进行预加载，预加载的加载速率为1.8 kN/s，预加载的轴力约为试件极限承载力的10%。预加载结束后，观察百分表以及应变测量仪上的读数趋于稳定。若不能，则重新预加载；若能，则需卸掉预加载，进行正式加载。正式加载为分级单调加载，以极限荷载的70%为分界点，在70%极限荷载之前，以1/10的极限荷载作为加载级数；达到70%极限荷载之后，以1/20的极限荷载作为加载级数。在达到实验荷载预估值的90%以后，以2 kN/s的速率加载，直至试件破坏。

2　实验分析

2.1试件破坏形态

预加载过程中，构件无明显现象产生，主要为上下垫板与构件上下表面的压实。正式加载之后，试件在加载的最初阶段，没有明显的实验现象，一般当荷载加载到预估极限承载力30%左右的时候，能听到构件首次产生响声，随着荷载的持续增加能听到构件陆续产生了一些稍大的噼啪响声；当荷载加载到极限荷载70%左右的时候，构件上下端部混凝土有被压碎的现象，能看到构件上部的混凝土碎渣有掉落现象，GFRP管上出现白纹现象，此时，荷载-应变曲线仍可近似看为是直线；当荷载加载到80%左右的时候，GFRP管发出连续不断的噼啪响声，外管上的玻璃纤维向四周嘣散，外管中部膨胀明显，荷载-应变曲线上升变得平缓；随着荷载接近极限承载力时，GFRP管中下部急速变白，随后紧随一声巨响，GFRP管发生炸裂，试件达到极限荷载力。经过观察，构件的GFRP管是先从中部附近发生连续的断裂、剥离，然后迅速延伸到上下端部，裂口成断裂状，致使构件宣布整体破坏。试件的最终破坏形态如图4所示。

2.2极限承载力分析

24根GSC组合短柱经过轴心受压实验后，所得实验数据见表2。其中D为GFRP管的外径，h为GFRP管的高度，径向极限位移Symax，轴向极限位移Sxmax，极限荷载Fmax，极限抗压强度σcmax。

由表2可以看到，A1、A2、A3、A4的极限抗压强度分别为92.7、86.0、82.2、79.9 MPa，B1、B2、B3、B4的极限抗压强度分别为94.1、87.8、84.3、82.4 MPa，随着构件尺寸的增大，构件的承载能力逐渐降低，证明尺寸效应的存在。同时，A1与A2相比抗压强度降幅为7.8%，A2与A3相比降幅为4.6%，A3与A4相比降幅为2.9%；B1与B2相比抗压强度降幅为7.2%，B2与B3相比降幅为4.2%，B3与B4相比降幅为2.3%。这进一步说明尺寸效应对承载能力的影响规律，即尺寸效应对于构件极限承载力存在影响，构件尺寸增大，极限承载力逐渐减小，且构件尺寸较小时，削弱程度较高，尺寸较大时，削弱程度则相对比较低。A、B两组对比分析，可以看出混凝土强度提高，会使尺寸效应减弱。

a　B1　　　　　　　　　b　B2

c　B3　　　　　　　　　d　B4

2.3荷载-应变曲线分析

实验中测得的每种尺寸相同的三根试件的应变值，取其平均值，荷载-应变对比曲线如图4所示。

由图4可以看出，GSC组合短柱在整个轴心受压过程中，大致可以划分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段。整个过程中，GFRP管的约束作用逐渐增强。初始阶段由于混凝土和型钢共同承受轴向荷载，GFRP管的约束作用并不明显，因此径向应变小于轴向应变，随着荷载增大，GFRP管约束作用逐渐显现，并且越来越强，径向应变快速增长，且构件中部的增幅最大。最终径向应变略大于轴向应变，GFRP管环向发生破坏，构件失效。

构件的延性也受到尺寸效应的影响，随着构件尺寸的增大，最终测得的破坏应变值逐渐减小，说明延性减弱。在构件尺寸较小时，延性减弱的程度要高于构件尺寸较大的情况，但二者相差不大。C30和C40两种混凝土构件间的对比，可以看出混凝土强度对延性方面的尺寸效应存在影响，混凝土强度提高，会使尺寸效应减弱。

表2　试件参数及实验数据

a　A组中部

b　B组中部

3　结　论

对24根GSC组合短柱试件进行轴心受压实验，通过观察整个实验过程中的现象，分析荷载-应变曲线，研究尺寸效应对于该结构形式极限承载力、延性的影响规律，得出结论如下：

(1)GSC组合短柱在整个轴心受压过程中，可以划分为弹性、弹塑性和塑性三个阶段，并且在整个过程中，GFRP管的约束作用逐渐增强。

(2)构件主要由于管中部径向应变过大，发生撕裂、剥离等现象，导致约束失效而最终使试件破坏。

(3)尺寸效应对于构件极限承载力存在影响，构件尺寸增大，极限承载力逐渐减小，且试件尺寸较小时，削弱程度较高，尺寸较大时，削弱程度则相对比较低。

(4)构件的延性也受到尺寸效应的影响，随着试件尺寸的增大，构件延性减弱，且在构件尺寸较小时，延性减弱的程度要高于构件尺寸较大的情况，但二者相差不大。

(5)混凝土强度提高，会使尺寸效应减弱。

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(编辑李德根)

Size effect study of GFRP tube-steel-concrete composite column under axial compression

ZHANGYunfeng,WUZiyang,YUANChaoqing

(School of Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

This paper discusses the study on the effect of size effect on the mechanical properties of GSC composite columns. The study does so by providing the axial compression experiment on 24 GSC composite columns, and applying load-strain curve to delve into the law underlying the influence of the size effect on the mechanical properties of GSC composite column under axial compression. Results show that an increase in the size of components is followed by a gradual decrease in the ultimate bearing capacity and ductility; a smaller component size suggests a higher reduction degree while a larger size means a relatively lower reduction; an increase in concrete strength grade provides a reduction in the size effect .This study may provide reference basis for the practical application of GSC composite columns.

GFRP tube-steel-concrete composite column;axial compression;load-strain curve; size effect

2016-02-10

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12543023)

张云峰(1966-)，男，吉林省扶余人，教授，博士，研究方向：混凝土及砌体结构，E-mail：ziyang497001589@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.02.024

TU398.9

2095-7262(2016)02-0230-05

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