FRP 约束钢管混凝土柱的研究现状综述

郑育文 谢志红 甘思斌 黎佳和 韦嘉伟

（广州航海学院航务工程学院）

0 引言

钢管混凝土柱（简称CFST）是指在钢管中填充混凝土形成钢管和混凝土共同承受外荷载的结构构件[1]。自1879 年最先用于Severn 铁路桥的桥墩，又于1897 年被John Lally 提出用于建筑房屋的承重柱，钢管混凝土以其承载力高、延性好、抗震性能优异、施工便捷等优点，同时又能满足现代工程结构向大跨度、超高层发展的需要，被迅速开发研究并广泛应用于高层建筑、工业厂房和桥梁等重要建筑结构工程。据不完全统计，我国自20 世纪80 年代至今已有较多的高层及超高层建筑和桥梁采用钢管混凝土柱作为承重柱[2]。

然而，钢管与混凝土材料泊松比不一致造成钢管在混凝土裂缝未完全开展阶段中提供的环向约束作用较小、薄壁钢管易发生局部屈曲导致承载力下降过快等问题使得钢管混凝土柱力学性能仍然存在提升空间[3]。此外，钢管混凝土在长期使用的过程中，面临由于地震、火灾、碰撞、腐蚀等不利外界因素或自身结构使用功能改变导致承载力不足的问题[4-6]。以上问题可通过对钢管混凝土柱进行约束/加固解决。

过往研究表明，使用外部约束修复或加固混凝土结构可以有效地恢复混凝土结构的承载力和延性[7]。近年来，纤维增强复合材料（简称FRP）逐渐被广泛应用于结构加固中，FRP 包裹加固混凝土柱技术是目前FRP 材料在土木工程结构应用最为普遍的技术之一。与外加钢筋混凝土套、外加钢构套、外加钢板等传统加固方法相比，FRP 具有优于建筑钢材的轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等优异材料性能[8]，同时加固过程中不需要大型的机械设备，施工便捷快速，加固之后基本不需要后期维护，结构的正常功能使用基本不受影响。本文基于将FRP 应用于钢管混凝土柱以改善其存在的力学性能问题和加固需求，对目前国内外FRP 约束钢管混凝土柱的研究现状进行了综述。

1 钢管混凝土柱

目前，国内外对钢管混凝土柱的研究已达相当规模，并建立了钢管混凝土柱的数据库[9]，用来分析钢管混凝土柱的性能。

韩林海等[1]对钢管混凝土柱进行了系统的试验研究和理论分析，研究结果表明：①钢管混凝土短柱（长径比L/D≤4）具有良好的承载能力和变形能力，圆形短柱在不同约束效应指标（衡量钢管和混凝土的相互作用）下主要表现为腰鼓状破坏和剪切型破坏，方形短柱则更多表现为局部屈曲破坏；②钢管混凝土的轴向载荷-应变曲线在低约束下表现出应变软化行为，在强约束下表现出应变硬化行为。此外，其他国内外学者针对钢管截面形状、强度、径厚比和混凝土的类型、强度等变量先后对钢管混凝土柱的轴压性能进行了研究，值得注意的是部分研究表明钢管混凝土存在钢材、混凝土泊松比不同造成初始阶段钢管环向约束作用相对较低、薄壁钢管易发生局部屈曲导致承载力下降过快等问题。

韩林海[4-5]、王庆利[6]等先后对钢管混凝土在经受火灾、长期荷载、腐蚀等不利因素的作用后的轴压性能进行试验研究，结果表明钢管混凝土柱的承载力和刚度均有一定程度的削弱。Wang 等[10]通过侧面冲击具有轴向载荷的CFST 构件的试验研究，发现试件的负载持续时间明显减少。

从上述文献中的结果可以总结得出：钢管混凝土柱具有承载力高、延性好、抗震能力强等优越的力学性能，但由于存在初始阶段钢管环向约束作用较低、钢管易发生局部屈曲等需要进一步改善的力学性能问题，且外界和时间等不利因素对力学性能发生削弱的钢管混凝土加固或修复也需要进一步考虑。

2 FRP 约束钢管混凝土柱

针对钢管混凝土存在的力学性能问题和需加固问题，可采用外部约束对钢管混凝土柱进行改善，采用FRP 进行约束就是其中一种较为有效并且便捷的形式。

Xiao 等[11-12]最先提出将FRP 应用于钢管混凝土柱的概念，并将其命名为约束钢管混凝土柱（简称CCFT）。通过CFRP 全约束钢管混凝土柱的单调轴压加载试验[11]和CFRP 局部约束钢管混凝土柱潜在塑性铰区域（柱端）的侧向往复加载试验[12]，发现CCFT 具有更显著的轴向载荷能力和变形能力，钢管向外的局部屈曲因为外部FRP 的作用受到了良好的抑制和延缓。

在Xiao 的初步研究后，Tao 等[13]和王庆利等[14]先后通过试验对CFRP 约束钢管混凝土柱短柱的截面形状、FRP 层数等进行了研究，结果可归纳为：①FRP 能较好的与钢管协同工作，限制钢管和混凝土的横向变形，并且FRP 对方柱的约束效果要明显比圆柱差；②两种截面形状的约束钢管混凝土短柱均发生强度破坏，但FRP最终断裂位置有所区别，圆柱的CFRP 沿中高部圆周随机断裂，而方柱的CFRP 主要在角部断裂；③所有约束钢管混凝土柱的荷载-挠度曲线分为弹性段、弹塑性和下降段三个阶段；④FRP 的层数对约束钢管混凝土柱承载力的提升效果明显，但延性随FRP 层数的增多反而可能降低（过大的FRP 约束使得FRP 容易受到钢管屈曲的影响出现提前破坏）。张倚天等[15]发现在提高约束钢管混凝土柱的承载力和延性上CFRP 均要优于GFRP 和BFRP。此外，Zhang 等[16]建立了FRP 约束钢管混凝土面向设计的应力-应变模型。

相对于FRP 全约束钢管混凝土柱的研究，FRP 条带局部约束钢管混凝土柱的研究非常少。已有少数研究中，Prabhu 等[17-18]用CFRP 条带水平间隔约束钢管混凝土柱，研究了条带层数、条带间距对钢管混凝土柱承载力、破坏模式的影响，试验结果表明，CFRP 条带有效地延缓了柱的局部屈曲，柱的承载力随层数的增加、间距的减小而增加。该研究对FRP 条带水平间隔约束钢管混凝土的约束机理分析并不深入，也未能够提出适用的约束混凝土应力-应变模型和设计方法。

3 结语与展望

FRP 能够适用于钢管混凝土柱的性能提升和加固改造，通过FRP 约束能够限制混凝土和钢管的横向变形，延缓钢管的局部屈曲，极大地恢复或提升钢管混凝土柱的承载力和延性，但是FRP 约束太大时，FRP 容易受到钢管屈曲的影响提前破坏，而FRP 条带局部约束形式能减轻或避免提前破坏的问题。同时，FRP 全约束形式导致混凝土压碎后荷载提升刚度过大（该部分荷载对应的变形一般已超过正常使用极限状态，此时应变强化的刚度不宜过大），采用FRP 条带局部约束也能减少全约束形式出现的性能过余问题。目前对FRP 条带局部约束钢管混凝土柱的研究非常少，需要进行更多的试验研究加以完善，并提出适用于FRP 条带局部约束钢管混凝土柱的设计模型。