CFRP圆钢管混凝土中长柱轴压承载力研究

钟楚珩，冷 鋆，周金枝,，吴凌霄，付甜甜，周亚栋

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北 武汉430068; 2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉430034)

0 引 言

近年来，随着我国工程技术领域的不断革新，对应用在桥梁、厂房和高层建筑上钢管混凝土极限承载力的研究不断涌现。目前，钢管混凝土多应用于厂房、桥梁承重柱与拱肋，例如，广州丫髻沙大桥是一座中承式钢管混凝土拱桥，由6根钢管混凝土组成。随着钢管混凝土日益普遍地应用于工程中，由于腐蚀、设计或施工考虑不周等情况导致安全事故发生的概率正日益递增，使得对其结构承载能力修复加固的相关研究成为近年来的热门。自20世纪以来，土木工程界国内外研究和应用的热点就是如何利用各类纤维增强复合材料对钢管混凝土进行加固修复。而使用CFRP纤维材料对钢管混凝土构件进行加固与修复的工程实践案例还是较少的。CFRP钢管混凝土这类结构很好地权衡了施工和经济的利弊，在增强钢管混凝土极限承载力的同时，更能够节省造价，具备优良的经济效益。

目前，虽然已有对CFRP钢管混凝土结构的相关探讨，但大多集中在CFRP钢管混凝土短柱与长柱的研究，针对中长柱的完整研究仍旧较少。如刘兰等[1]提出了CFRP与钢管混凝土结构，通过对FRP与钢管混凝土短柱与中长柱的轴心受压试验，推导出了其极限承载力的适用设计公式；蒋治鑫等[2]对CFRP钢管约束混凝土短柱进行了系统研究，并使用ABAQUS，仿真模拟得出了CFRP钢管混凝土短柱轴心作用下的荷载-应变曲线与应力云图，试验与理论结果相吻合；顾威等[3]对CFRP钢管混凝土短柱进行了轴压试验，分析了该类结构的等效紧箍力；侯敏等[4]对碳纤维布加固混凝土梁弯曲性能进行了试验分析，提出了抗弯加固梁的极限承载力计算公式。

本文所研究的CFRP圆钢管混凝土中长柱是一种新型组合结构，不仅可用于破损、陈旧的桥梁柱体加固与修复，更满足现代化城市高耸、大跨、重载开发的需求，尤其适用于地震频发区域的建筑。CFRP圆钢管混凝土中长柱是通过制作圆钢管中长柱，内部浇灌混凝土并且在钢管外表面环向包裹CFRP，在发挥钢管混凝土良好弹塑性的同时，利用CFRP高强的抗拉性能增强钢管混凝土的轴向抗压能力，以此加强钢管混凝土的极限承载力，提高构件的抗弯刚度与延性，并防止其在较大侧向挠度的情况下发生局部屈曲[5-8]。

本文的研究目的旨在探索CFRP圆钢管混凝土中长柱极限承载力影响因素的同时，对研究该类构件极限承载力的试验方法进行总结，分析这种新型CFRP—圆钢管—混凝土组合结构的力学性能与其在工程应用中的可行性。因此本文对10个不同的CFRP圆钢管混凝土中长柱进行了轴压试验，对试验相关数据进行处理，分析CFRP圆钢管混凝土中长柱的受力过程和破坏形态，探讨试样CFRP环向应变与荷载的变化关系以及试样CFRP跨中侧向荷载与位移的变化关系。

1 CFRP圆钢管混凝土中长柱试验

1.1 试验试样

本试验共设计了10个试样，其中有1个为短柱试样，用来提供短柱承载力试验值。试样采用无缝钢管，圆形截面，钢材型号为Q235，其截面尺寸为D×t=165 mm×2.5 mm、165 mm×3.5 mm和165 mm×4.25 mm；内浇混凝土柱为圆柱体，直径160 mm，柱长500 mm，1 000 mm和1 333 mm；同时上下端各加一盖板，为正方形截面，边长为385 mm，厚度为10 mm，材料为Q235钢；核心混凝土采用自密实混凝土，设计强度为 C40，C50和 C60；CFRP层数：0，1，2和3。试样具体参数如表1所示。

表1 试样参数1）

1.2 试验材料性能

试验各材料的力学性能指标通过材料材性实验确定。混凝土立方体强度和弹性模量分别由同条件下成型养护的立方试件和棱柱体实验得到；钢材强度与弹性模量由拉伸实验确定，将试件所用钢材加工成标准试件后，按照国家标准GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸实验方法》的有关规定进行拉伸实验。CFRP的拉伸强度和弹性模量等性能指标由拉伸实验确定，参照现行国家标准GB/T 3354—1999《定向纤维增强塑性拉伸性能实验方法》进行拉伸实验。

本实验采用自密实微膨胀混凝土，选用原料为425号普通硅酸盐水泥；细骨料：天然河沙；粗骨料：天然砂石，最大粒径为20 mm；水：自来水；另外添加外加剂：粉煤灰、减水剂、S95矿粉。混凝土配合比见表2。混凝土的力学性能见表3。

表2 混凝土配合比（每立方米混凝土各材料的质量） kg/m3

表3 混凝土参数

试样所用钢材的力学性能见表4，试样所用碳纤维布的性能指标见表5。

表4 钢管参数

表5 CFRP参数

本试验采用的应变片有两种：贴在钢管面上的纵向与环向应变片，贴在碳纤维布上的环向应变片。其技术参数见表6。

表6 应变片技术参数

制作完成后的CFRP圆钢管混凝土中长柱试样如图1所示。

图1 CFRP圆钢管混凝土中长柱

1.3 试验方法

1.3.1 试验设备

试验设备为500 t微机控制电液伺服压力试验机，在该试验机上进行轴压试验。试验加载与测量装置示意图如图2所示，实际加载图如图3所示。在构件1/4等分点与底板处分别设置了5个位移计，用于测量侧向位移与纵向位移；在钢管外壁中截面处，沿周长平均布设纵向及环向电阻应变片共4对，测量钢管外中截面处的应变；粘贴CFRP后在中截面处再设置4个应变片。采用18通道，采样频率为50 Hz的动静态数据采集器DH3817F采集试验数据。从试样开始加载时进行数据采集，此时试验机压力表指针开始转动，试验过程中数据采集不间断，直到试样发生破坏停止采集。对比静态应变采集器，动静态数据采集器的优势明显，可以实时在线监测，同时具有警报、打印等功能，不再需要人工录入数据，在软件中便可绘制出图形，节约人力成本，而且可以减少由于人工录入所导致的错误，从而提高试验过程中的整体工作效率[9-10]。

图2 试验加载与测量装置示意图

图3 实际加载图

1.3.2 试验过程

试验开始前，需对上下表面进行校准、找平，防止发生偏心受压的情况。找平的方法为：在表面铺上细砂后水平找平，为避免边缘凹凸不平，再用钢片塞入四角实现表面基本平整[11-12]。试验时采用分级加载制，在弹性范围内，每级荷载为预估极限荷载的1/10，当钢管屈服后每级荷载约为预估极限荷载的1/15，每级荷载持荷约2 min后测量数据，接近破坏时慢速连续加载，每级荷载约为预估极限荷载的1/20，直至试验机压力表指针开始回零，此时荷载达到最大值[13-15]。本文将极限荷载定义为试样所能承受的最大荷载。此时CFRP发生脆性破坏，并发出较大破裂声响，继续加载将发生弹塑性失稳破坏，为保证试验人员安全，试验终止。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象和破坏过程分析

1）试样CM0-2.5

试样CM0-2.5为对照试件，0层CFRP，试样高度1 000 mm，长细比为24，钢管壁厚2.5 mm，混凝土强度为C40。加载初始阶段，试样处于线弹性阶段，钢管应变变化较小，外形无明显变化，此时混凝土起主导作用开始受压；随着荷载逐级增加，应变逐渐增大，中侧位移亦增大；当荷载达到930 kN时，试样进入塑性阶段，此时混凝土已抗压至破坏，钢管开始受拉，荷载与应变增加速率减慢；荷载达到990 kN时，塑性发展明显，钢管逐渐屈服；荷载达1 052 kN时，荷载应变发展呈直线增加趋势，跨中侧向位移增速变大，钢管表面膨胀明显；荷载增至1 101 kN时，试样达到极限承载力，此时荷载不再继续增加，开始下降，试样破坏失稳，可观察到钢管表面发生明显屈曲，试验结束，其跨中侧向位移数据见表7，该试样破坏形态如图4所示。

图4 CFRP圆钢管混凝土中长柱试样破坏图

2）试样 CM1-2.5

试样CM1-2.5为CFRP圆钢管混凝土中长柱，外层环向粘贴一层CFRP，试样高度1 000 mm，长细比为24，钢管壁厚2.5 mm，混凝土强度为C40。加载初始阶段，与CM0-2.5相似，钢管与混凝土均处于线弹性阶段，CFRP与圆钢管的变形均较小，两者应变变化基本一致，动态观察试验数据，可知钢管的应变变化稍快于碳纤维布；当荷载达到1 350 kN时，试样进入弹塑性阶段，此时混凝土已抗压至破坏，钢管受拉逐渐屈服，CFRP起主导作用开始受拉，可听到CFRP部分脱粘的声响；荷载达到1 443 kN时，试样进入塑性阶段，此时CFRP发出的声响越来越频繁，应变增速变大；荷载加至1 569 kN时，试样达极限承载力，跨中侧向位移增速变大，此时可听到CFRP发出清脆响亮的破裂声，此时CFRP已破坏，荷载值下降，无法继续持荷；继续加载，钢管持续受拉进入塑性变形阶段，此时碳纤维布破坏处的钢管膨胀明显，加载至试样丧失承载力时，试样破坏失稳，试验停止，其最大应变与跨中侧向位移数据见表7，该试样破坏形态如图4所示。

表7 极限承载力

3）试样CS1-4.25与CL1-4.25

试样CS1-4.25与CL1-4.25，其钢管与碳纤维布的应变和位移变化现象均与试样CM1-2.5相似，其最大应变与跨中侧向位移数据见表7。试样CS1-4.25的高度仅为试样CM1-2.5的一半，但其达到极限承载力所需的时间更久，钢管弯曲程度较小，破坏现象不明显；试样CL1-4.25的长度为试样CM1-2.5的1.33倍，但其达到极限承载力所需的时间更短，钢管弯曲程度较大，破坏现象更明显。以上试样破坏形态如图4所示。

4）其余试样

试样 CM2-2.5、CM3-2.5、CM1-3.5、CM1-3.5-5、CM1-3.5-6与CM1-4.25，其钢管与碳纤维布的应变和位移变化现象均与试样CM1-2.5相似，其最大应变与跨中侧向位移数据见表7。由于试样CM3-2.5比试样CM2-2.5多一层CFRP，则达到极限承载力所需的时间更久，其钢管弯曲程度相对试样CM2-2.5较小。而试样CM1-3.5、CM1-3.5-5、CM1-3.5-6与CM1-4.25的加载时间和钢管弯曲程度基本一致，以上试样破坏形态如图4所示。

2.2 极限承载力的影响因素分析

2.2.1 混凝土强度的影响

如图5为不同混凝土强度试样的碳纤维布跨中环向荷载—应变图，由图可知，加载前期斜率较大，应变增量较小；当加载达到试样屈服强度时，斜率变的平缓，此时荷载少量增加但应变增加迅速；荷载加至极限承载力时，斜率变大，荷载迅速下落，同时应变增大。同理，如图6为不同混凝土强度试样的碳纤维布跨中侧向荷载—位移图，可以看出加载初期荷载—位移的变化类似荷载—应变，当构件达到极限承载力时，位移变速陡增，但荷载迅速下落。可知初期CFRP随着钢管一起处于弹性阶段，受力较为均匀，此时混凝土主导抗压；待钢管开始屈服时，CFRP开始受拉，此时混凝土已抗压至破坏；当试样达到极限承载力时，CFRP发生脆性破坏，发出较大破裂声响；继续加载，由于CFRP已经发生破坏，钢管继续受拉进入塑性变形，承载力下降，变形继续增加，直至破坏失稳。从图5可以看出，增加混凝土强度，CFRP圆钢管混凝土中长柱的碳纤维布跨中最大应变呈下降趋势。从图6可以看出，增加混凝土强度，CFRP圆钢管混凝土中长柱的碳纤维布跨中侧向位移呈递增趋势。

图5 不同混凝土强度试样的CFRP跨中环向荷载-应变图

图6 不同混凝土强度试样的CFRP跨中侧向荷载-位移图

由表7和图5、图6可得出，C50的单层CFRP圆钢管混凝土中长柱较C40的极限承载力提升11.5%，C60较 C50提升 3.95%，C60较 C40提升 15.9%。表明随着混凝土强度的提升，CFRP圆钢管混凝土中长柱的极限承载力呈明显上升趋势，而提升幅度有限，相较于CFRP层数的提升是较小的。

2.2.2 CFRP层数的影响

如图7与图8，其荷载-应变与荷载-位移变化现象与混凝土组相同。从图7可知，增加CFRP层数后，碳纤维布跨中最大应变有大有小，无法准确预测其趋势，其现象与混凝土强度对比组类似。从图8知，增加CFRP层数，CFRP圆钢管混凝土中长柱的碳纤维布跨中侧向位移呈递增趋势。

图7 不同CFRP层数试样的CFRP跨中环向荷载-应变图

图8 不同CFRP层数试样的CFRP跨中侧向荷载-位移图

由表7和图7、图8可得出，相较0层的圆钢管混凝土中长柱，包裹1层CFRP的极限承载力提升了42.5%，2层较1层可提高18.9%，3层较2层可提高11.2%。这表明，加1层CFRP可大幅提高圆钢管混凝土中长柱的承载力，而层数达到2层及以上时，承载力的增加幅度锐减。这说明单层碳纤维布对圆钢管混凝土中长柱极限承载力的提升效果明显，多层的提升效果则有限。

2.2.3 钢管壁厚的影响

如图9与图10，其荷载-应变与荷载-位移变化现象与CFRP层数组相同。由图9可知，增加钢管壁厚，CFRP圆钢管混凝土中长柱的碳纤维布跨中最大应变有大有小，无法准确预测其趋势，其现象与混凝土强度对比组类似。从图10可知，增加钢管壁厚，CFRP圆钢管混凝土中长柱的碳纤维布跨中侧向位移有大有小，亦无法准确预测其趋势。

图9 不同钢管壁厚试样的CFRP跨中环向荷载-应变图

由表7和图9、图10可得出，3.5 mm壁厚的单层CFRP圆钢管混凝土中长柱较2.5 mm的极限承载力提升8.53%，4.25 mm较3.5 mm提升9.28%，4.25 mm较2.5 mm提升18.6%。表明随着钢管壁厚的增大，CFRP圆钢管混凝土中长柱的极限承载力逐渐增加，增长总量小于混凝土强度与CFRP层数的影响。

2.2.4 长细比的影响

如图11与图12，其荷载-应变与荷载-位移变化现象与钢管壁厚组相同。由图11可知，增加长细比后，CFRP圆钢管混凝土中长柱的碳纤维布跨中最大应变呈增加趋势。由图12可知，增加长细比后，CFRP圆钢管混凝土中长柱的碳纤维布跨中侧向位移呈递减趋势。

由表7和图11、图12可得出，长细比为24的单层CFRP圆钢管混凝土中长柱较12的极限承载力降低 7.3%，32较 24降低 12.3%，32较 12降低18.7%。表明降低长细比对CFRP圆钢管混凝土中长柱的极限承载力的提升影响在以上3种中属最小。

图11 不同长细比试样的CFRP跨中环向荷载-应变图

图12 不同长细比试样的CFRP跨中侧向荷载-位移图

3 结束语

本文对CFRP圆钢管混凝土中长柱轴压试验进行了详细说明，介绍了试样的各项参数、试验装置、试验方法并对试验结果进行分析，得到以下结论：

1）通过进行CFRP圆钢管混凝土中长柱轴压试验，可知当CFRP发生脆性破坏时，CFRP圆钢管混凝土中长柱达到承载力极限，继续施加荷载后钢管发生明显弯曲，最后试样发生弹塑性失稳破坏。

2）通过试验数据可以发现，影响CFRP圆钢管混凝土中长柱极限承载力的因素主要为混凝土强度、钢管壁厚、CFRP层数和长细比，其中CFRP层数影响最大，其次为混凝土强度与钢管壁厚，长细比的影响最小。

3）混凝土强度从C40提升到C50与C60后，构件的极限承载力分别提升11.5%与15.9%；钢管壁厚从2.5 mm提升至3.5 mm与4.25 mm后，构件的极限承载力分别提升8.53%与18.6%；CFRP层数从0层提升至1、2和3层后，构件的极限承载力分别提升42.5%、69.4%与88.4%；长细比从12提升至24与36后，构件的极限承载力分别降低7.3%与18.7%。

4）由试验数据表明，适当提高混凝土强度等级可以增大中长柱的极限承载力；适当加大钢管的壁厚，可以增大中长柱的极限承载力；增加CFRP的层数，可以增大中长柱的极限承载力，同时其延性也随之提升，其中提升最为显著的是增加1层CFRP，2层其次；适当降低构件的长细比，可以增大构件的极限承载力。因此从工程经济的角度来看，增加CFRP层数来提高钢管混凝土的极限承载力是经济适用的。