FRP-混凝土-钢新型组合柱的研究进展

盛 黎

(浙江树人大学城建学院,浙江 杭州 310015)

FRP-混凝土-钢新型组合柱的研究进展

盛 黎

(浙江树人大学城建学院,浙江 杭州 310015)

FRP作为一种轻质高强、抗腐蚀和耐疲劳的新型结构材料,在混凝土结构修复加固中得到广泛应用。近年来,国内外学者为了更好地发挥传统材料的优点,将FRP与混凝土和钢材进行组合,提出了FRP约束钢管混凝土柱、FRP约束钢骨混凝土柱和FRP-混凝土-钢混合双管柱等多种新型组合柱。在此，围绕这三类新型组合柱的研究现状进行介绍,为FRP-混凝土-钢组合柱在工程领域的进一步研究和应用提供参考。

FRP约束钢管混凝土；FRP约束钢骨混凝土；FRP-混凝土-钢混合双管；组合柱

FRP(Fiber Reinforeed Polymer/Plastic,纤维增强复合型料)作为一种在土木工程中被广泛应用的新型结构材料,具有耐腐蚀、抗疲劳、比强度和弹性模量高等诸多优点,通过FRP与混凝土和钢材的组合,能充分发挥三种材料各自的优点,形成新型组合构件。由于柱是结构体系中的主要受力构件,因此大量的研究工作都围绕新型组合柱展开,主要包括以下三种：1)FRP约束钢管混凝土柱(图1a);2)FRP 约束钢骨混凝土柱(图1b)；3) FRP-混凝土-钢混合双管柱(图1c)。本文将对这3种新型组合柱的研究现状进行综述,以便为FRP-混凝土-钢组合柱的进一步研究和应用提供参考。

图1 FRP新型组合柱

1 FRP约束钢管混凝土柱的研究现状

2003年,Xiao等[1]人率先尝试使用CFRP(Carbon fiber reinforcecl polymer/plastic,碳纤维增强复合材料)在容易出现塑性铰的部位附加横向约束以控制钢管的局部屈曲和更有效地约束混凝土。2005年,Xiao[2]对FRP约束混凝土柱作了分类阐述,特别强调采用FRP约束钢管混凝土柱这类新型组合柱形式,有利于发挥FRP和钢管对混凝土双重约束的优势。

1.1 FRP约束钢管混凝土柱的轴压性能研究

2005年,陶忠等[3-4]试验研究了CFRP布约束钢管混凝土柱的轴压性能,结果表明CFRP约束钢管混凝土柱不但能同时发挥CFRP和钢管对混凝土的双重约束作用,而且能提高试件的承载力和延性；同时还比较了钢管截面形状对CFRP约束效果的影响,在充分考虑CFRP和钢管对混凝土的双重约束效应后,推导得到CFRP约束钢管混凝土柱极限轴压承载力简化公式,计算值与试验值吻合良好。2006年,Teng等[5]对FRP约束径厚比为60的钢管混凝土柱进行轴压试验,结果表明在FRP约束下既能有效控制钢管的局部失稳,又能显著增强柱子的轴压强度,并基于试验结果给出了此类柱抗压强度的理论计算模型。在文献[6]中Teng等人进一步研究径厚比为100的FRP约束钢管混凝土柱轴压性能,发现钢管的局部失稳现象被推迟,抗压强度明显提高。Teng等[7]采用FRP约束混凝土柱应力-应变关系分析法[8],考虑由钢管和FRP共同提供侧向约束应力,以及侧向应变的影响,推导出了包括主动约束模型、侧向应变方程和总约束应力三个部分的应力-应变计算模型。M.C. Sundarraja等[9]研究了CFRP包裹层数对钢管混凝土柱性能的影响,结果表明包裹3层CFRP布的钢管混凝土柱的抗压强度和延性远高于包裹1层和2层CFRP布的钢管混凝土柱,而且CFRP布的间距不宜过大,否则容易引起未被CFRP包裹的钢管区域发生侧向屈曲,从而导致承载能力未明显提高。

王庆利[10]等早在2003年提出采用CFRP-钢复合管约束混凝土柱的设想(图2),旨在弥补CFRP管塑性差、钢管易腐蚀的劣势,同时节省用钢量并减轻自重。随后,王庆利、顾威[11-12]等人的研究表明在CFRP-钢复合管的约束下,CFRP-钢复合管约束混凝土短柱的轴压承载力较钢管混凝土柱明显提高,并且随着CFRP筒约束指标的提高而线性增长。王庆利[13]对圆CFRP-钢管约束混凝土中、长柱的研究表明,长细比小的柱子发生强度破坏, 长细比大的柱子会发生稳定破坏,并将试件的荷载-挠度曲线分成弹性段、弹塑性段和软化段三个阶段,应用纤维模型法模拟了圆CFRP-钢管混凝土轴压构件的荷载-中截面挠度曲线,计算结果与试验结果吻合良好。根据文献[11]的试验结果,2006年,顾威[14]采用极限平衡法推导出轴压短柱在钢管屈服和碳纤维断裂两种极限状态下构件承载力的计算公式。2007年,于峰[15]等人研究认为FRP约束钢管混凝土柱的承载力主要取决于非约束混凝土强度以及钢管厚度,并根据弹性理论方法, 采用等效换算截面,以FRP对钢管混凝土柱的约束效应系数ξf为参数提出了FRP约束钢管混凝土柱承载力计算公式。同年,张常光[16]等采用双剪统一强度理论,对CFRP-钢管混凝土柱轴压短柱进行承载力研究,分析了核心混凝土内摩擦角、中间主应力、钢管厚径比和CFRP粘贴层数对极限承载力的影响,提出了CFRP-钢管混凝土轴压短柱的极限承载力公式。2007年,王庆利[17]等人根据试验结果[12],进一步分析了CFRP-钢管混凝土轴压短柱的受力全过程,将本构关系划分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和下降阶段,对应每个阶段,采用试验回归,对已有的圆钢管约束混凝土在轴压力作用下的本构关系进行修正, 得出简化表达式。随后，为了深入了解圆CFRP-钢管混凝土轴压短柱的静力性能,文献[18]根据以上轴力作用下的应力-应变关系,采用纤维模型法模拟圆CFRP-钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形关系,分析了钢管约束效应系数和CFRP筒约束效应系数对圆CFRP-钢管混凝土轴压短柱力学性能的影响,计算值与试验值吻合良好且偏于安全,同时将荷载—变形关系曲线进一步细分为四阶段：弹性阶段,弹塑性阶段,塑性增强阶段和软化阶段。

图2 CFRP-钢复合管约束混凝土柱

2007年,李国强[19]提出新型带镂空格子的钢管外包FRP布内填混凝土柱的设想,通过轴压试验后发现新型混合柱具有钢管混凝土柱和FRP约束混凝土柱共同的优点,具有高强度、延性大、费用低、抗腐蚀能力强等特点,轴向镂空的强度较高,螺旋形镂空的延性更好。

1.2FRP约束钢管混凝土柱偏压性能研究

2007年,王庆利[20]等人以文献[21]的静力试验为基础,对圆CFRP-钢管偏压作用下静力性能展开理论分析,其结论是从加载之初直到最大承载力,沿截面高度的钢管纵向应变分布符合平截面假定,在其他参数相同的情况下,侧向挠度随着偏心距或构件长度的增大而增大,在其他条件相同的情况下,同一载荷下的纵向应变随着偏心距或试件长度的增大而增大,但达到屈服载荷时的纵向应变值却十分接近。偏压试验表明CFRP-钢管混凝土偏压柱相对于钢管混凝土偏压柱的极限承载力有一定提高,且在弹性阶段弹性模量略有增加,CFRP-钢管混凝土偏压柱的延性好于FRP筒内填混凝土偏压柱。

2 FRP管约束型钢混凝土柱的研究现状

2009年,王连广等[22-23]提出在GFRP管内设置型钢,然后浇筑高强混凝土形成新型组合柱。这类组合柱一方面由于内部钢骨受到周围混凝土约束,能有效避免钢骨局部屈曲的发生,提高组合柱的抗剪和抗震性能；另一方面由于混凝土能阻止GFRP(玻璃钢)或(玻璃纤维复合材料)管这类薄壁构件发生局部屈曲,特别是在GFRP管的约束下,在外荷载作用时,核心混凝土的横向变形受到限制,处于三向受力状态,组合柱的抗压强度和抗震性能均得到提高。

2.1 轴压性能研究

王连广等[22-23]通过对GFRP管钢骨高强混凝土组合柱的轴压试验,发现组合柱承载力随着GFRP管壁纤维缠绕角度减小和GFRP管壁厚度增加而增加,而且在荷载作用初期,GFRP管壁厚度对混凝土的约束作用均不明显,当荷载达到极限荷载的70%以后,管壁较厚的GFRP管对混凝土的紧箍力相对较强。王连广等[22-23]分别采用简单叠加法和统一理论两种计算方法, 建立组合柱轴心受压承载力计算公式,并通过理论分析得出结论：随着含骨率的增加,组合柱的承载能力和延性均增强。

2011年,KianKarimi等[24]研究了FRP布约束H型钢混凝土柱的轴压性能,提出了该类组合柱的简化分析模型,并认为FRP布层数越多圆角半径越大,组合柱的强度和延性均有明显提高。随后KianKarimi等[25]进一步研究不同长细比的FRP约束型钢混凝土柱轴压性能变化规律,结果表明短柱(长细比小于0.2)FRP的约束效果最好,随着长细比增大,FRP约束效应越来越弱,长柱(长细比为0.9)的承载能力、极限应变和内核混凝土抗压强度仅为短柱的59%、14%和51%。KianKarimi等[26]继续研究了FRP管类型和掺入减缩剂对组合柱轴压性能的影响,结果表明采用侧向抗拉强度更高、破坏应变更小的FRP管抗拉强度和极限轴向应变分别提高约25%和20%,掺入减缩剂能使抗压强度提高20%,轴向刚度提高22%,极限应变提高24%。KianKarimi等[27]通过进一步分析文献[25]的试验结果,认为随着柱子直径与FRP管厚度的比值、FRP管轴向刚度和型钢与混凝土面积比的增大,组合柱的承载能力提高,随着FRP管轴向刚度的提高,组合柱的长细比允许值也明显增大。

2013年冯鹏[28]首次提出在FRP管内放置十字交叉型钢,并在型钢与FRP管空隙中填充砂浆(图3)。通过对18个试样的轴压试验,得出结论是柱子的承载能力提高44%～215%,延性提高了877%,并研究了十字交叉型钢、长细比和外覆FRP层数对其产生的影响,推导出了应力-应变关系曲线和分段破坏模型。

图3 FRP管约束十字交叉钢骨砂浆柱

2.2 偏压性能研究

2009年,王连广等[29-30]通过8根GFRP管钢骨高强混凝土组合柱偏心受压试验,表明组合柱承载力随着GFRP管壁纤维缠绕角度减小和管壁厚度增加而提高,随着长细比增大、偏心距增加而降低。通过试验研究与理论分析,建立了GFRP管钢骨高强混凝土偏心受压组合柱承载力计算公式,理论计算结果与试验结果吻合良好。采用纤维模型法编制了非线性分析程序,分析认为构件的承载力随着混凝土强度、配骨率的增加而增大,随着偏心率的增加而降低,且变化幅度相对明显。

3 FRP-混凝土-钢混合双管柱的研究现状

Teng等[31-32]于2003—2004年提出了内部钢管,外部FRP管,中间填充混凝土的新型组合柱,被称为FRP-混凝土-钢双壁空心管柱。外部FRP管主要用来约束混凝土和提高抗剪能力,当有需要时,中间中空部分也可填充混凝土,这类新型组合柱综合了FRP、混凝土和钢材三种材料的优势,具有自重轻、耐腐蚀性好、延性好、无须进行防火防护等优点。

3.1 轴压性能研究

Teng等[33]对6根FRP管-混凝土-钢管双管短柱进行轴压试验,发现缠绕1层FRP布的双管柱轴压强度未明显提高,缠绕2层和3层FRP布的双管柱轴压承载力分别提高了27%和48%。余涛等[34-35]提出了一个能准确模拟各类约束混凝土的三维弹塑性-损伤本构模型,在此模型基础上,余涛等[36]研究了FRP管硬度、钢管硬度、管内空间大小等对该新型组合柱性能的影响,并对照试验结果,提出了该组合柱在轴压作用下应力-应变关系的计算模型。2008年,钱稼茹等[37]对双管柱进行轴压试验后发现试件呈现三种破坏形态：1)FRP管纤维拉断,钢管未破坏；2)FRP管纤维拉断,同时钢管压曲破坏;3)整体压曲破坏。并针对这三种不同破坏类型,充分考虑了空心率、内层钢管径厚比、外层FRP管约束程度和加载方式的影响,推导出了应力-应变计算模型,计算值与试验结果拟合良好。王娟[38]等应用薄壁圆筒的双剪统一强度理论极限解,考虑材料中间主应力的影响和内圆钢管的薄壁效应,提出了FRP管-混凝土-钢管双管短柱轴压承载力计算公式,应用ANSYS软件建立了组合柱在轴心压力作用下的非线性有限元计算模型,得到了各构件极限承载力及应力-应变关系全过程曲线,并将有限元结果与理论公式计算结果、文献试验结果进行对比验证,拟合良好；在此基础上讨论了荷载对构件纵向应力分布的影响以及钢管厚径、混凝土强度等对构件承载力的影响规律。2008年,Wong[39]等发现FRP管-混凝土-钢管双管柱虽然内部空心削弱了外部FRP的约束作用,但这种损失的约束作用完全可以由内部钢管来补偿,该组合构件中FRP对混凝土的约束效率与FRP约束实心混凝土柱基本相同,其应力-应变关系曲线也非常接近,此外该类双管柱的受压性能与空心率、钢管径厚比以及FRP管厚度有关。胡波和王建国[40]在平面应变条件下对FRP-混凝土-钢混合双管柱进行力学分析,考虑了混凝土和钢管的弹塑性,提出了双管约束混凝土应力-应变关系理论模型。

2006年,钱稼茹[41]等对3个FRP-混凝土-钢双壁空心管长柱进行了轴压试验,结果表明受压侧FRP出现剪切裂缝,受拉侧无肉眼可见的裂缝,内钢管弯曲,试件失稳破坏,随着长细比增大,柱的承载力和变形能力下降,并提出了考虑长细比影响的双壁空心管长柱的轴心受压承载力计算式,计算结果与试验结果吻合较好。

3.2 偏压性能研究

余涛等[42]通过试验研究了该组合构件在偏压下的性能,研究结果表明在该空心构件中,FRP管对混凝土的约束作用与截面受力状态有关,其中轴压最大、纯弯最小而偏压居中。基于此，余涛等[42]提出了一个能够适用于轴压、偏压、纯弯的统一混凝土应力-应变关系模型,以用于该新型空心构件的设计。

3.3 往复荷载下组合柱的性能研究

2012年,余涛等[43]试验研究了FRP-混凝土-钢混合双管柱在往复荷载作用下的轴压性能,试验表明,该双管柱在往复荷载下表现出了较好的延性,而且其轴向应力-应变包络线与单调荷载作用下双管柱的应力-应变曲线基本一致。然后将试验数据与单调荷载作用下双管柱应力-应变模型和循环荷载下FRP约束混凝土应力-应变模型进行拟合,经过比较后发现，将两类模型结合起来能够更准确地预测试验值。

钱稼茹和刘明学[44]通过9根FRP-混凝土-钢双壁空心管柱试件和4根混凝土-钢空心管柱对比试件的低周反复荷载试验,研究了FRP-混凝土-钢双壁空心管柱的抗震性能。结果表明,由于FRP的约束作用,双壁空心管柱试件的承载能力大于混凝土-钢空心管柱试件,变形能力和耗能能力也明显大于对比试件。

4 结 语

FRP-混凝土-钢新型组合柱的研究是一个较新的研究课题,仍需积累大量的试验数据,为提出通用性的理论模型奠定基础。对轴压、偏压和水平往复荷载作用下的构件破坏机理及参数分析都需要进一步开展研究,特别是针对实际工程中柱子在组合荷载作用下的力学性能和工程性能也有待开展和深入。

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Research Progress of the New Composite Column of the FRP-Concrete-Steel

SHENGLi

2016-10-14

盛 黎(1978—),女,浙江嘉兴人,副教授,从事高性能材料方面研究。

TU323.1

A

1008-3707(2017)02-0007-05