PET材料对双层钢管混凝土柱轴压承载力提升研究★

张 弦 波

(金华职业技术学院,浙江 金华 321007)



PET材料对双层钢管混凝土柱轴压承载力提升研究★

张 弦 波

(金华职业技术学院,浙江 金华 321007)

从改善结构延性的角度，系统地研究了外包PET材料的双层钢管混凝土柱的力学性能，并通过试验得到了其轴压承载力增长的现象和规律，将试验研究结果与试验前理论计算结果进行了对比，验证了理论计算公式的准确性。

PET材料，钢管混凝土柱，轴压承载力，延性

0 引言

自从我国开始引入钢管混凝土后，至今已有半个多世纪的时间，随着我国工程技术的迅猛发展及科研人员的深入研究，其在我国的应用范围也越来越广，在各个工程领域都予以使用。在一些特殊的工程应用中，设计研究人员将双层钢管中心部分的混凝土去除，以便减轻结构自重，空心的钢管混凝土构件就这样诞生了；其具有自重轻、抗弯刚度大、防火性能好等特点。但是我国目前关于空心钢管混凝土构件的研究还不多，尤其是当该双层中空构件受损导致承载力不够需要加固时的研究更是寥寥无几。本文主要就采用PET材料从外部封闭该构件，从而达到提升双层钢管混凝土柱的轴压性能效果这一方面来进行初步研究，以便作为一些参考资料用于给今后该种新型材料的进一步研究和应用。

PET材料，全称为聚对苯二甲酸乙二醇酯，英文名称为Polyethylene Terephthalate，它是一种高聚物，由对苯二甲酸与乙二醇经缩合聚合反应后得到。在以往的生产生活中大多用于食品包装；但随着近些年国际上对PET的进一步研究，逐渐将其应用到土木工程方面，作为一种新型的FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastic纤维增强复合材料，简称FRP)使用。分别将PET和CFRP(碳纤维)材料外包在双层钢管混凝土柱外侧，通过试验结果，研究其对钢管混凝土柱的轴压承载力的影响情况，并与相关文献所推荐的理论计算方法所得数值进行对比分析，验证本次试验之前所采用理论计算的公式的准确性。

1 试验概况

1.1 试验构件及仪器

本次轴压试验采用6根制作好的双层中空钢管混凝土柱：试件采用内外双层钢管，双层钢管内部为C30混凝土，内层钢管内部留空；外层钢管外侧分别包裹PET材料和CFRP材料，以便得出外包PET及CFRP材料的双层钢管混凝土柱轴压承载力数据并对比分析得出结论。各试件的主要信息详见表1，表1中的钢管外壁厚度为钢材原材料实测值。

表1 各试件基本参数及编号 mm

本次试验所用压力机YAW-5000J微机控制电液伺服压力试验机。该机试验加载量程最大值为1 000 t，上下两端为球铰连接。采用以计算机为核心的全数字电液伺服控制器,自动完成试验过程。配备试验力、位移两个闭环控制回路，两种控制模式之间可在任何情况下平滑切换。并且在试验时可使用恒速率试验力控制、恒速率位移控制、试验力保持试验等多种试验模式任意组合，最大程度地满足了各类试验方法的要求来进行试验加载。

1.2 试验过程及现象

本次试验加载方案采用力控制的方法逐步加载，速率为1 kN/s。停止加载的指标为试件外包材料剥离后呈现明显的大变形或者试件中的钢管破坏引起加载力下降明显；其目的都是为了保护仪器在试验中不受损害。

以下数据为本次试验所要采集内容：各试件的轴压限值、各试件的轴向变形位移量、外层钢管的水平和竖直应变值、外包材料的水平应变值。

通过分析试验现象发现，仪器显示的加载数值持续增长直至试件外钢管发生破裂；外包的FRP材料也出现随着荷载的增加出现剥离到断裂的现象。在外层FRP材料被破坏或剥离开试件后，试件加载数值几乎无增长，而位移增加明显。在FRP脱落后继续加载出现部分试件外钢管破裂的现象，而此时为保护仪器停止加载。在结束试验后观察全部试件，发现所有试件的内钢管均有屈曲现象，其中A,B两根试件外侧的FRP材料被拉断，随即产生过大变形破坏，但其外钢管壁未有破裂现象。余下四根试件外侧的FRP材料也均被拉断，并且其外钢管壁均产生破裂，引起加载数值下降并最终破坏，其中部分试件在加载过程的破坏情况见图1。

2 试验结果及分析

2.1 各构件的力—位移曲线

通过试验得到各试件轴向荷载—位移曲线(见图2)，可以看出:

在加载初期，各试件的荷载—位移曲线都呈现线性增长，说明此时外包的PET材料对试件的轴压承载力未产生影响。随着加载数值的增大，试件逐渐进入屈服阶段，表现出位移明显增大而荷载增长缓慢的现象，说明试件进入了流塑状态。而此时外包PET材料的试件极限位移明显大于外包CFRP材料的试件极限位移；可以看出延性方面PET优于CFRP，外包PET的试件其轴向承载力提升的程度超过外包CFRP的试件。

2.2 各试件轴向荷载—外钢管应变曲线

图3为各试件轴向荷载—外钢管应变曲线(图中的右侧正值为环向应变，左侧负值为竖向应变)，可以看出:外包PET试件的外钢管极限应变比外包CFRP试件外钢管的极限应变超出许多。

由试件的荷载与外钢管应变曲线还可得出结论：在竖向加载使各试件产生屈服现象后还能有比较明显的大范围变形，而且各试件竖向最大应变数值均比水平应变数值大；这说明所有的试件均有非常好的韧性和塑性用于吸收能量，并且还有着优秀的变形性能。而且通过分析曲线特征可看出试件在受压时的弹性和弹塑性阶段显现的非常明显；试件在弹性阶段的应变与其试验过程中的加载成正比关系，且应变发展速度较慢；进入弹塑性阶段后应变发展速度较快而荷载增加的数值不大；这也与大多数塑性材料的受压性能一致。

2.3 各试件轴压承载力的理论计算与试验数值的对比

本次试验前利用了相关文献和规范对试件的承载力进行了计算，该轴压承载力计算的方法和模型可同时应用于外包CFRP和外包PET混凝土柱的轴压承载力这两种试件。分别将试验与计算整理，结果见表2。

表2 轴压试验结果与理论计算数据对比

从表2轴压试验结果与理论计算数据对比中得到，除了E号试件由于端部破坏不能采用该计算方法计算外，其他各试件的理论计算值与试验结果的比值平均值为1.102，且没有较大程度的差异，说明两者之间符合的较好。而且从表2中也可以看出，外包FRP的试件对比未包FRP构件的轴压承载力有了较大程度的提升。其中，A,D,F试件采用的是外包PET材料，其轴压承载力相比未包FRP构件的轴压承载力理论计算值提高了约有51.4%,63.2%,31.1%；B,C,E试件采用的是外包CFRP材料，其相比未包FRP的构件的轴压承载力理论计算值提高了大约有21.6%,55.0%,4.7%。通过比较可以得出结论，本次试验所采用的双层钢管混凝土柱在外包PET材料的情况下比外包CFRP材料对其轴压承载力的提升更显著，在今后的科研设计工作中可以将其进一步研究设计和投入使用。

3 结语

1)双层钢管混凝土柱的轴向承载力在外包FRP材料(无论是PET或是CFRP)后均能显著提高。但外包PET材料所提供更优秀的延性，因此其对双层钢管混凝土柱的轴压承载力及延性能力的提升比CFRP材料更为明显。

2)本次试验前进行了外包FRP材料的试件轴压承载力理论计算，该计算结果与试验结果较为接近，两者的差值大多在20%以内，因此通过试验验证可以认为本次试验前所采用的理论计算公式准确性较高。

[1] 王 娟，赵均海，朱 倩，等.纤维增强复合材料—混凝土—钢双壁空心管短柱的轴压承载力[J].工业建筑，2011,41(11):130-133.

[2] 梁小雨，张大伟，金伟良，等.聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维布约束中空夹层钢管混凝土柱轴压性能试验研究[J].建筑结构学报,2015，36(S1):269-274.

[3] 韩林海，陶 忠，杨有福，等.新型钢管混凝土结构的力学性能与设计理论研究[J]．工程力学，2004，21(S1):60-89．

On promotion of axial pressure loading capacity of double-layer steel pipe concrete column with PET material★

Zhang Xianbo

(JinhuaPolytechnicCollege,Jinhua321007,China)

From proving the structure’s ductility, the paper researches the dynamic performance of the double-layer steel pipe concrete column with the contracting PET materials, concludes the increasing axial pressure loading capacity and law with the test, compares the test research results and theoretic calculation results before the test, and proves the accuracy of the theoretic calculation formula.

PET material, steel pipe concrete column, axial pressure loading capacity, ductility

1009-6825(2017)11-0031-03

2017-02-07★:2015年度金华市科学技术研究计划项目(2015-3-051)

张弦波(1982- )，男，讲师

TU311

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