轴压下CFRP—钢管约束混凝土柱试验研究

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(大连海事大学交通运输工程学院， 辽宁大连116026)

0 引言

CFRP—钢管约束混凝土构件是由核心混凝土、钢管和CFRP三种材料复合形成的组合构件，核心混凝土在钢管内，碳纤维黏贴在钢管外侧。在实际工程中钢管混凝土轴压构件的主要受力方式有三种,如图1。

图1工程中常见的钢管混凝土加载方式
Fig.1Threetypesofaxialcompressionforconcretefilledsteeltube

其中A式加载指钢管与混凝土端面齐平，轴向荷载同时作用于混凝土与钢管端面；B式加载指荷载直接作用于混凝土,钢管不参与轴向承载，仅起到约束混凝土的作用；C式加载指钢管端面高于混凝土端面，加载初期钢管先受到轴向压力，钢管受压与核心混凝土端面齐平后，方与核心混凝土共同承载[1]。三种加载方式中B式加载受力状态最为明确，钢管始终约束混凝土，仅存在环向应力；A式和C式加载中钢管在加载初期因受力膨胀快与混凝土分离，进入到加载后期才对混凝土起到套箍作用[2]。传统的钢管混凝土被广泛应用于多层工业厂房柱、地铁站台柱、设备构架柱中，引入FRP后纤维增强材料代替部分钢材减轻构件自重，约束核心混凝土提高构件强度和延性，同时防止钢管屈曲和腐蚀，具有较好的耐火性能，弥补了钢管混凝土构件的不足[3]，可应用于跨海大桥桥墩、高层建筑桩基础等结构中，发展前景广阔。

目前国内外学者对FRP钢管混凝土构件的基本力学性能展开了深入的研究，研究方式主要集中在力学试验、有限元模拟和理论计算三种。主要的研究内容有FRP钢管混凝土构件的滞回性能[4]、耐火性能[5]、抗冲击性能[6]、抗压[7]和抗弯性能[8]等，得到了构件核心混凝土的应力应变关系曲线[9]、构件的滞回曲线、构件冲击力大小的影响因素、构件的极限抗压承载力简化计算公式和极限抗弯承载力相关计算公式等一系列成果。现阶段对构件的轴压承载力试验研究主要集中在A式加载[10-11],部分学者对方形截面CFRP钢管混凝土构件进行了轴压性能研究[12-13]，而B式加载方式下构件的力学性能研究相对缺乏,故本文主要针对B式加载下CFRP—钢管约束混凝土短柱的轴压性能展开试验研究,同时做A、B式加载的对比实验，通过试验探究材料性能和力学参数对整体构件极限轴压承载力的影响。

1 试验设计

1.1 试件尺寸和材料概况

本次试验一共制作了24根试件，分两次进行制备。第一次制作了18根试件，全部进行B式(仅在核心混凝土施加轴压)加载试验。第二次制作了6根试件，分别进行A式(全截面施加轴压)和B式(仅在核心混凝土施加轴压)加载试验。CFRP是由碳纤维布和树脂胶组成的复合材料，其力学性能参数如表1所示。钢管型号为Q235热镀锌钢管,混凝土强度为C30、C40和C50,采用普通硅酸盐水泥(符合GB175-2007),混凝土配合比如表2所示。

表1 碳纤维布和树脂胶的性能指标Tab.1 Mechanical property of carbon fiber and polymer glue

表2 混凝土用料配合比Tab.2 Concrete mixture proportion

图2 构件立面和剖面图Fig.2 Elevation and profile of component

为了使试件两端保持平整，在试件的两端粘贴与钢管内径尺寸相同且厚度为10 mm的承压板，避免产生应力集中现象。试件的立面、剖面简图如图2所示。

本次试件均采用圆截面，试件编号为A-t-H-n，其中A代表加载方式(A式加载和B式加载),t代表钢管壁厚度(1.2 mm和1.5 mm),H代表混凝土强度(C30、C40、C50)，n代表CFRP的层数(0、1、2)。L代表试件长度，D代表钢管外直径,d代表单层CFRP的厚度，ξs代表钢管约束效应系数，ξf代表CFRP约束效应系数。第一批次试件的基本尺寸参数如表3所示。

表3 试件的基本尺寸参数Tab.3 Size parameters of specimens

1.2 试件制备和加载方法

图3 试件在压力机下进行加载Fig.3 Specimen loaded under the press

本次轴压试验中CFRP的包裹方式采用整体环向全包,试件的长度为400 mm。向切割好的钢管内浇筑混凝土，养护7 d后进行CFRP的粘结。在钢管外壁均匀涂刷JGN结构粘结剂，待粘结剂干透后将建筑树脂胶按2∶1的配合比混合A胶B胶均匀涂抹到管壁上，将CFRP紧贴缠绕在钢管壁上，在此过程中不断用刮板碾压赶走气泡，同时保持试件表面平整。试件制作完成后在碳纤维布表面黏贴应变片，放到压力机上进行加载，如图3所示。

试验主要测试CFRP—钢管约束混凝土短柱在轴压加载(A式和B式)下，试件的极限承载力和变形情况(环向应变、轴向位移)。试验根据GB/T 50081—2016(普通混凝土拌和物性能方法试验标准)采用分级位移加载方式,在加载初期试件整体处于弹性阶段,加载速率设置为每级1 mm/min；当荷载增大到预估极限荷载的70 %时,降低加载速率；临近破坏时将速率降低为0.5 mm/min，在整个加载过程中保持稳定加载直到试件被压坏。

1.3 试验现象与分析

图4典型的试件破坏形态
Fig.4Typicalfailuremodeofspecimens

图4所示是具有典型破坏形态的试件。图4(a)所示是黏贴单层CFRP的试件，该试件在1/2长度处出现了一个大的CFRP断裂口，钢管发生轻微的屈曲。这是由于核心混凝土中的粗骨料在轴压下发生塑性流动，导致混凝土应力不稳定而重新分布，随着轴压增大混凝土应力不断增大，而钢管和单层CFRP无法提供更大的环向约束，CFRP产生应力集中而发生脆性破坏。如图4(b)所示是黏贴双层CFRP的试件破坏形态，在试件表面的CFRP上产生了许多细小裂口，断口沿环向分布在试件上，钢管表面光滑。试件断口数量较多说明在双层CFRP和钢管的约束下试件的环向应力分布均匀，试件应力集中的现象得到改善，同时防止了钢管的屈曲。

2 试验结果分析

2.1 材料对轴向承载力的影响

核心混凝土强度的影响。如图5所示，在钢管厚度和CFRP厚度均相同的情况下，增大核心混凝土强度，试件的轴向承载力有显著提高,轴向承载力的增长率最低为2.17 %，最高为24.53 %。究其原因，在B式加载中，轴向压力直接作用在核心混凝土上，混凝土的强度很大程度上决定了试件的承载力。由图6观察可知，图6(a)呈现下降趋势，说明当钢管壁厚为1.2 mm时，试件轴向承载力增长率随着混凝土强度的提高而逐渐减小；图6(b)没有明显的趋势性，说明当钢管壁厚为1.5 mm时，试件的轴向承载力增长率不仅仅由混凝土强度决定，还受钢管厚度即钢管约束力的影响。同时观察图6可得，当试件包裹双层CFRP时，钢管壁厚为1.2 mm的试件轴向承载力增长率为24.53 %和5.87 %，钢管壁厚为1.5 mm的构件轴向承载力增长率为2.17 %和4.21 %，有三组增长率均在10 %以下。这说明，当CFRP层数较大时，单纯提高混凝土强度对增大试件轴向承载力的贡献并不明显，此时CFRP约束效应系数对试件轴向承载力有较大影响。

(a) 钢管厚度为1.2 mm

图5试件在不同混凝土强度下的承载力
Fig.5Ultimatebearingcapacityofdifferentstrengthconcrete

(a) 1.2 mm厚钢管的极限承载力增长率

图6试件的轴向承载力增长率
Fig.6Axialbearingcapacitygrowthrateofspecimens

CFRP厚度的影响。由图7可知,在混凝土强度和钢管厚度相同的情况下,试件的极限轴向承载力随着CFRP厚度的增加而提高，试件的极限轴向承载力增长率均在13 %以上。这是因为B式加载仅在核心混凝土上进行加载，混凝土受压后内部细小裂缝不断发展形成较大的宏观裂缝，其横向变形系数不断增大，由于变形协调钢管和混凝土之间产生随轴压大小变化的相互作用力，使混凝土由单向受力变为三向受力。在加载过程中CFRP对钢管和混凝土提供环向应力，防止了钢管的屈曲，在CFRP发生断裂前有效限制了混凝土裂缝的发展，进入塑性阶段后包裹双层CFRP的试件比包裹单层和未包裹CFRP的试件极限轴向承载力大。由此可知CFRP约束效应显著的增大了试件极限轴向承载力。C50组试件存在偏压情况,因此导致1.5 mm的试件比1.2 mm的试件承载力略小。

(a) C30试件的极限承载力

(c) C50试件的极限承载力

2.2 力学参数对轴向承载力的影响

本文采用轴压承载力提高系数[13]S来表示试件承载力提高的程度，即：

S=Nut/Nus，

(1)

式中Nut试件实测轴压承载力，Nus为名义轴压承载力,

Nus=fcAc+fyAy，

(2)

Ac和Ay分别为核心混凝土和钢管的截面面积,fc和fy分别为混凝土的轴向抗压强度和钢材的屈服度,fy按公式fξ=0.67fy计算[11]。D/t是试件直径与钢管厚度的比值，简称径厚比，ζs、ζf分别为钢管和CFRP的约束效应系数，也可称套箍系数，按公式计算出各个试件的轴压承载力提高系数值见表4。如图8(a)所示，试件D/t—S曲线斜率随CFRP层数的增多呈下降状态，说明随着CFRP约束效应的增加试件径厚比对承载力提高系数的影响随之减小,可见当CFRP约束效应占主导作用时，钢管径厚比对试件承载力的提髙贡献减小。图9(b)中ζs—S曲线斜率体现出与D/t—S曲线相反的趋势,随着CFRP层数的增多钢管约束效应系数对试件轴向承载力贡献增大。图9(c)中ξf—S曲线均呈现一致的上升趋势，曲线斜率接近，说明CFRP约束效应对试件的轴向承载力提高有显著影响。综上可得出，CFRP约束效应对试件轴压承载力提高系数贡献最大，钢管约束效应对构件承载力提高系数的影响不如CFRP约束效应显著，试件的径厚比对试件承载力提高系数的影响随CFRP包裹层数增多而呈现减小的趋势。

(a)D/t—S曲线

(c) ξf—S曲线

试件编号D/tζsζfSNut/kNB-1.2-30-01172.39901.528744.95B-1.2-30-11172.3991.4252.012980.94B-1.2-30-21172.3992.8512.3181 129.79B-1.5-30-0933.02501.717836.31B-1.5-30-1933.0251.4382.014981.02B-1.5-30-2933.0252.8762.7191 324.61B-1.2-40-01172.23701.776927.63B-1.2-40-11172.2371.3292.1851 141.88B-1.2-40-21172.2372.6572.6951 406.93B-1.5-40-0932.82001.602947.33B-1.5-40-1932.8201.3411.8791 070.75B-1.5-40-2932.8202.6812.5361 353.59B-1.2-50-01171.64001.4371 023.03B-1.2-50-11171.6400.9741.7601 253.04B-1.2-50-21171.6401.9482.0911 489.55B-1.5-50-0932.06801.4861 058.37B-1.5-50-1932.0680.9831.7231 227.22B-1.5-50-2932.0681.9651.9801 410.60

3 A式、B式加载下构件承载力对比

将A式、B式对比试验的6根试件放到压力机进行加载,得到轴向承载力如表5所示。从表5中数据可看出，在钢管壁厚和混凝土型号相同的情况下，B式加载下试件的极限承载力均大于A式加载下试件的极限承载力,包裹0层、1层和2层CFRP试件的轴向承载力增长率分别为6.19 %、7.02 %和4.67 %，说明B式加载能显著提高试件的轴向承载力。

表5 试件的极限承载力Tab.5 Ultimate bearing capacity of specimens

三组试件的轴向位移曲线如图9所示。由图9可知，在加载初期弹性阶段，B式加载下试件的轴向承载力大于A式加载下试件的轴向承载力,到塑性阶段二者轴向承载力差距逐渐减小，试件破坏后二者轴向位移差距较小。产生这种现象的原因是，在试件加载初期，由于A式加载轴压作用在试件的整个截面上，混凝土、钢管和CFRP按刚度承担轴向荷载，钢管的泊松比(μ=0.3)大于混凝土的泊松比(μ=0.17)，钢管环向变形比混凝土大，因此初期钢管会与混凝土分离而无法提供套箍力，在此期间可认为混凝土处于单向受压状态；随着加载的进行内部核心混凝土产生裂隙,混凝土泊松比逐渐变大二者才会重新接触。而B式加载试件在整个加载过程中钢管和CFRP始终对对混凝土产生约束作用,CFRP约束效应能有效防止钢管的屈曲，限制混凝土裂缝的发展，使混凝土始终处于三向受力状态中，故B式加载方式中钢管和CFRP对混凝土提供持续的环向约束力,使试件的轴向承载力得到提高。

(a)

(c)

4 结论

① 增大混凝土强度试件的轴向承载力有明显提高，试件轴向承载力提升率从2.17 %到24.53 %不等；当试件包裹CFRP层数增多时，混凝土强度的提高对构件轴向承载力的贡献并不明显。增大CFRP包裹层数能显著提高试件的轴向承载力，尤其在试件的塑性阶段，轴向承载力增长率均在13 %以上。

② CFRP约束效应对试件轴压承载力提高系数贡献最大，径厚比和钢管约束效应对试件承载力提高系数的影响不如CFRP约束效应显著。CFRP约束效应限制了混凝土裂缝扩展和钢材的屈曲，提高了试件的延性和刚度。

③ B式加载方式的轴向承载力均大于A式加载，相对于A式加载轴向承载力分别增长6.19 %、7.02 %和4.67 %，B式加载在整个加载过程中钢管和CFRP都能对混凝土产生约束作用，构件的轴压性能相较于A式更加优良。