持载对FRP-混凝土-钢双壁空心柱轴压承载能力影响

陈光明，赵 程，成 彤，李召兵，谢 攀，饶琛辉

(1.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室, 广东 广州 510641；2.广州市城建规划设计院有限公司， 广东 广州 510230；3.华南农业大学 水利与土木工程学院， 广东 广州 510642)

FRP (Fiber-reinforced polymer, 简称FRP或 “复材”)是一种高性能树脂基复合材料，根据纤维种类不同一般分为碳纤维FRP(CFRP)、玻璃纤维FRP (GFRP)、玄武岩纤维FRP (BFRP)等[1-2].FRP-混凝土-钢双壁空心柱(FRP-concrete-steel double skin tubular column，简称DSTC或“双壁空心柱”)是由香港理工大学滕锦光教授提出的一种新型组合结构，由外FRP管、内钢管以及填充在两者之间的混凝土夹层组成[3-4].在DSTC内，由于内侧钢管与外侧FRP管能对混凝土形成约束使混凝土处于三向受压状态，其强度及变形能力能获得显著提升，同时因钢管的向外变形被混凝土及FRP 管约束，其向外的局部屈曲被抑制，钢材强度利用率可获得提升；此外，FRP管及钢管还可以作为施工时的模板，能节省支模费用、缩短施工工期；在外侧的FRP管还可以作为耐腐蚀保护壳保护内侧钢管免受环境腐蚀.前期研究结果表明：轴压时，双壁空心柱具有良好的承载能力、变形能力及延性[5-8].偏心距增大时，承载力会有一定程度下降但变形能力会增加，双壁空心柱仍具有较好的延性[9-10].FRP管的存在能够使构件的延性及耗能能力得到提升[11-12].综上所述，DSTC结构短期力学性能及变形性能十分优异，具有良好的工程应用前景.

徐变现象在混凝土结构中十分普遍.过大的徐变变形会对混凝土结构造成诸多不利的影响[13].如影响结构的正常使用等；使偏心受压柱产生附加弯曲，导致稳定问题；使钢-混凝土组合结构截面发生应力重分布，导致部分材料提前破坏.目前，学术界对于钢管混凝土柱徐变性能研究较多.现有研究结果表明：钢管混凝土柱与FRP约束混凝土柱在持载应力水平较低时，徐变变形与轴压比呈线性关系，而处于较大持载应力水平时，徐变发展呈非线性关系[14-16].相对于未约束试件，FRP约束混凝土柱持载后的变形能力略有下降，但是承载力无明显变化，长期变形明显减小且徐变趋于稳定状态时间更短，一般60 d持载变形量已达到总变形量的70%及以上[17-20].

作者课题组在近期已成功将DSTC作为受力构件应用于桥墩[21].将DSTC应用于桥墩等受力构件时，持载期间的长期变形性能及持载对DSTC承载能力的影响亟待厘清.本文对DSTC柱经长期持载后的轴压力学性能进行了初步试验研究，并与未持载试件进行了对比，分析了持载对试件的承载力、变形能力、初始刚度的影响.本文的研究成果对促进DSTC在工程中的应用有一定的参考价值.

1 试验概况

1.1 试件设计、制作及试验步骤

为研究经过长期持载后DSTC柱轴压力学性能的变化情况，本研究共设计了11根较大尺寸组合短柱试件(包括持载组与对照组)，如表1所示.试件编号含义如下：CFFT与DSTC分别表示两种不同的结构截面形式，其中CFFT为FRP管约束混凝土，DSTC为双壁空心柱试件；字母N表示此批次试件浇筑的均为普通C30混凝土；字母G表示GFRP管，其后数据表示GFRP管的层数；0.3与0.4表示该试件核心混凝土初始试验轴压比(定义为混凝土应力与28 d圆柱体抗压强度的比值)；第一个S表示钢管，其后数据表示钢管的壁厚(单位：mm)，第二个S表示该试件设置了抗剪栓钉(环向8个，轴向每200mm布置一排)；试件编号尾部带有*的试件表示该试件为不进行持载的对照试件.所有试件钢管外径均为219 mm，GFRP管内径为300 mm，高度均为900 mm，主要变化参数为GFRP管层数、钢管厚度、试件持载轴压比及是否布置栓钉.钢管使用的钢材设计强度等级为Q355C(参考DSTC桥墩[20]用钢等级)，混凝土设计强度等级为C30.试件主要如表1所示，构件横截面如图1所示.前期持载试验装置如图2所示，持载试验步骤详见赵程[21].轴压破坏试验在持载250 d后进行，加载装置如图3所示.

表1 试件主要参数Tab.1 Main parameters of test specimens

图1 试件截面示意图 Fig.1 Cross section of specimens

图2 持载及加载装置图.Fig.2 Sustained loading device

图3 加载装置图Fig.3 Loading device

1.2 试验材性力学性能

1.2.1 混凝土材料性能

混凝土的材料性能试验参考ASTM-C469/C469M-14[22]规范，具体试验操作过程见赵程[21]，测得混凝土28 d圆柱体强度、弹性模量以及泊松比分别为30.4 MPa、27.4 GPa、0.181.

1.2.2 钢管材料性能

本试验所用钢管为Q355C无缝钢管，厚度有两种，分别为6 mm和12 mm.参考GB/T 228.1-2010规范[23]，每种厚度的钢管沿纵向各切割了3根狗骨形试样，具体实验操作见赵程[21]，测得钢材屈服强度分别为402.5 MPa (6 mm厚)、382.9 MPa (12 mm厚)；弹性模量分别为215.8 GPa (6 mm厚)、212.8 MPa (12 mm厚)；泊松比分别为0.29 (6 mm厚)、0.30 (12 mm厚).

1.2.3 GFRP管材料性能

本试验所采用的GFRP管为连云港中复连众公司制造，主要有两种厚度，分别为12层(名义厚度6 mm)以及6层(名义厚度3 mm))，纤维缠绕角度均为80°.参考柳钦试验结果[24]，6层及12层 GFRP管轴向强度分别为66.7 MPa、94.4 MPa； 6层及12层 GFRP管轴向弹模分别为12.8 GPa、15.1 GPa；6层及12层 GFRP管环向弹模分别为41.7 GPa、41.5 GPa.

1.3 测量方案

本研究试件轴压加载在华南理工大学结构实验室1 000 t压力机上进行，加载装置如图3所示.为测量试件的变形及应变，在CFFT及DSTC外GFRP管中部布置4对纵、横应变片(沿周长均布)，并且在DSTC试件内钢管外壁中部布置4对纵、横应变片(沿周长均布)，同时在GFRP管中部300 mm标距内每隔90°安装量程50 mm量程位移计共四个以测量中部轴向变形，此外还安装了两个位移计和用以测量试件全高轴向总变形.加载方式全程采用位移控制，参考柳钦[24]的轴压试验方案，轴向应变增长速率取10-5/s，位移加载速率取0.009 mm/s.在正式加载之前，需对试件进行预压.施加10%的预估极限荷载，观察轴向应变片读数，若试件上对称位置2个轴向应变片数据之差10%以内则证明试件对中.然后按照预先定好的加载速率进行正式加载，直到荷载下降至50%峰值荷载时停止加载.

2 试件破坏过程及破坏模态

部分试件的典型最终破坏模态如图4所示.

图4 典型破坏模态Fig.4 Typical failure mode

试验中观察到的破坏过程为：柱身中部区域最先出现GFRP管泛白，接着会出现树脂拉裂的声音；由于持载阶段对GFRP管进行了开孔处理用以监测混凝土徐变[21]，使其有了一定初始缺陷，故在进行轴压试验之前对开孔区用水泥砂浆进行了填补，并缠绕与GFRP管相等刚度的CFRP布.此外，为防止端部效应导致GFRP管提前破坏，对GFRP管端部也进行了CFRP 条带加固.在加载的过程中最先出现GFRP管纤维断裂的位置为上述开孔部位所包CFRP布的上下两端，随着加载的进行，试件中部开始出现GFRP管纤维拉断，核心混凝土受到挤压呈现鼓出的趋势，两端GFRP也有拉断现象.对比持载及未持载试件的破坏模态(图4)发现，二者基本无差别.

3 荷载-位移曲线

主要参数对试件的荷载-轴向应变曲线如图5所示.图中轴向应变由中部位移计测得位移转换而来.

图5 荷载-应变曲线(标“*”对比试件)Fig.5 Load-strain curves (* refers to the reference specimen)

由图5中可知：(1)持载对荷载-轴向应变曲线的趋势的影响非常有限.(2)持载仅对同类试件极限状态(最大荷载及对应轴向应变)有轻微的影响，但是规律不明显，如：对CFFT试件，持载一般会小幅降低最大荷载及对应应变，见图5(a)；对DSTC试件，持载一般会小幅增加承载力.具体而言，对GFRP层数较薄的DSTC试件(DSTC-N-G6-0.3-S6)，持载后，其最大荷载有一定的提高，但是对应轴向应变却明显降低，见图5(b)；当GFRP层数较多(DSTC-N-G12-0.3-S6)及钢管厚度较大时(DSTC-N-G12-0.3-S12)，持载一般使试件最大荷载及对应轴向应变均有小幅度增加，且仅GFRP厚度增加(钢管厚度不增加)，上述效应更加明显；增加轴压比能增加最大荷载及对应应变，而布置抗剪焊钉能增加最大荷载对应应变.持载对关键试验结果的影响见下一节(第4节)讨论.

4 关键试验结果分析及讨论

本研究的关键试验结果如表2所示.图6～8分别为最大荷载、最大荷载对应轴向应变、初始轴向刚度.需要说明的是，表2所示轴向刚度是通过荷载-轴向应变曲线初始上升段两点(100 με与0.4Pt对应应变，Pt为初始线性段与后期线性段之间的转折点，详见赵程[21])之间的斜率近似估算确定.

表2 关键试验结果Tab.2 Key test results

图6 最大荷载柱状图对比Fig.6 Bar chart of maximum loads

图7 最大荷载对应应变柱状图对比Fig.7 Bar chart of axial strain at maximum load

图8 初始轴向刚度Fig.8 Bar chart of initial axial stiffness

由图6可知，持载使CFFT试件承载力有微弱减小趋势，但是使DSTC试件承载力有增加的趋势(增加最大为轴压比为0.4试件，增加20.4%).图7显示，持载使CFFT试件最大荷载对应应变有微小减小，而使DSTC试件最大荷载对应位移有微小增加的趋势(GFRP层数为6层的试件除外).由图8可知，持载后CFFT试件的初始刚度有明显增加的趋势(最大增加比例为43.9%)，而使DSTC试件的初始刚度有小幅增加趋势(最大增加比例为29.1%)或基本不变(如带焊钉的试件及轴GFRP管层数6的试件).从表2可知，持载使GFRP管的开裂荷载及对应的应变有增加的趋势(后者更加明显)，对CFFT试件此规律不明显，可能原因在于持载阶段，在GFRP管上开洞监测混凝土徐变导致轴压试验中开裂应变增加.

5 结论

本文对6个较大尺寸持载试件(其中5个试件为DSTC，1个为CFFT试件)进行长期持载后的轴压力学性能试验，并将其与5个不持载的试件(其中4个试件为DSTC，1个为CFFT试件)进行了对比研究.从本文的试验结果及其分析，可以得到如下结论：

(1)持载对DSTC及CFFT破坏模态几乎没有影响，两种构件在持载及未持载情况下，极限状态均由GFRP管中部的纤维拉断控制；

(2)持载对DSTC及CFFT荷载-轴向应变曲线的影响非常有限，基本不改变曲线的形状及趋势；

(3)持载使DSTC试件的承载力及变形能力均有较小幅度增加趋势，且后者增加的幅度更加明显；持载使CFFT的承载力及变形能力有微小的降低；持载使CFFT及DSTC的初始刚度均有增加的趋势，但是存在试验数据离散现象.

上述初步实验结果表明：DSTC长期持载对其承载力及变形能力的影响非常有限，因此，在轴压比为0.4及以内时将其用于受力结构长期持载时安全及可靠的.后期需要加强对大轴压比持载后构件力学性能的研究.