FRP－鋼復(fù)合管混凝土軸壓短柱試驗(yàn)及應(yīng)用研究

賴用滿，魏 洋，李國(guó)芬，曹 興

(1.南京市公路建設(shè)處，南京 210008;2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037;3.江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215011)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［1－2］作為一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)以其獨(dú)特的力學(xué)特點(diǎn)在現(xiàn)代土木工程中的應(yīng)用日益廣泛，但也存在一些缺點(diǎn)如結(jié)構(gòu)自重大、耗鋼量大、耐腐性差等。FRP(Fiber reinforced polymer)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的筒體內(nèi)填混凝土形成了FRP管混凝土結(jié)構(gòu)［3－6］同樣具有鋼管混凝土類似的力學(xué)原理，即都是核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，但這一結(jié)構(gòu)也存在一些缺點(diǎn)如剪切強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)剛度低，裂縫或變形控制設(shè)計(jì)，同時(shí)由于FRP的脆性使得結(jié)構(gòu)的延性低等?；谝陨蟽煞N結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和不足國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出了FRP－鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)［7］，通過“復(fù)合”思想使兩種結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮兩者特長(zhǎng)。即在鋼管內(nèi)填充混凝土，外部纏繞FRP材料而形成的組合結(jié)構(gòu)，從而使鋼管內(nèi)的核心混凝土處于FRP和鋼管的雙重約束之下，以提高其軸向承載能力，目前主要的橫截面形式分為圓形和方形 (如圖1所示)。FRP－鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)具備FRP管混凝土和鋼管混凝土兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)一定程度地解決FRP管混凝土和鋼管混凝土的缺陷與不足，將FRP纏繞粘貼于鋼管外表面，可以替代一部分鋼管，減小鋼管的厚度，降低用鋼量，降低厚鋼管的加工難度，并為鋼管提供耐久性保護(hù)，F(xiàn)RP管混凝土和鋼管混凝土具有承載力高、延性好及耐久性好等特點(diǎn)。

圖1 FRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)橫截面示意圖Fig.1 Cross-section of FRP-steel composite tube concrete structures

目前對(duì)圓截面FRP－鋼復(fù)合管混凝土軸壓力學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究 取得了一定的理論成果，但已有的研究成果多采用CFRP一種材料，缺乏一定的對(duì)比性。本文研究了 CFRP和BFRP兩種不同類型及層數(shù)下的軸壓短柱對(duì)比試驗(yàn)，通過試驗(yàn)初步探討了不同參數(shù)下的圓形FRP－鋼復(fù)合管混凝土軸壓短柱的受力性能，為實(shí)際工程的應(yīng)用提供一點(diǎn)的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件的設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)一共有5個(gè)試件，1個(gè)對(duì)比柱，4個(gè)不同纖維類型或?qū)訑?shù)的FRP－鋼復(fù)合管混凝土短柱，F(xiàn)RP選用碳纖維 (CFRP)和玄武巖纖維(BFRP)兩種，各試件參數(shù)見表1。試驗(yàn)中采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，選用的鋼管為圓形無縫鋼管，外徑D為133mm，高度均為400mm，鋼材屈服強(qiáng)度平均值364.9MPa，極限強(qiáng)度平均值503.6MPa，混凝土采用C30混凝土，混凝土的抗壓強(qiáng)度由相同條件成型養(yǎng)護(hù)的邊長(zhǎng)為150mm的立方體試塊測(cè)得，其實(shí)測(cè)立方體強(qiáng)度平均值為46.6MPa。纖維采用纖維布形式，試件所用碳纖維為日本東麗20碳纖維 (CFRP)，厚度0.111mm，實(shí)測(cè)強(qiáng)度4 067MPa，彈性模量239.8GPa，極限應(yīng)變1.7%，玄武巖纖維 (BFRP)為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)，厚度 0.111mm，強(qiáng)度2 370MPa，彈性模量91.4GPa，極限應(yīng)變2.6%。

表1 各試件參數(shù)Tab.1 Parameters of specimens

1.2 試件制作

鋼管在工廠按設(shè)計(jì)圖紙預(yù)制完成，為了避免在混凝土澆注的時(shí)候底部出現(xiàn)跑漿，在鋼管的一端焊接一塊5mm厚的矩形薄鋼板，另一端澆筑混凝土，澆筑混凝土?xí)r應(yīng)保持鋼管豎直 分層澆筑振搗 完成后在自然條件下養(yǎng)護(hù)28d。

粘貼纖維布前鋼管混凝土外表面難免會(huì)生銹以及澆筑混凝土?xí)r溢出的混凝土，這些都會(huì)嚴(yán)重影響纖維的粘貼效果，所以在粘貼纖維之前必須對(duì)鋼管外表面的進(jìn)行打磨處理。纖維布環(huán)向粘貼，粘貼前用拌制好的慧魚膠浸透纖維布，確保纖維布與試件完全粘合，搭接長(zhǎng)度15cm，搭接方式如圖2所示。纖維布粘貼完成后用塑料薄膜包裹養(yǎng)護(hù)24h。

為了準(zhǔn)確地測(cè)量各試件的應(yīng)變，在每個(gè)試件鋼管外壁和纖維外側(cè)中截面處沿周長(zhǎng)布置環(huán)向和縱向電阻應(yīng)變片各2個(gè)。應(yīng)變片粘貼示意圖如圖3所示，制作好的成型試件如圖4所示。

圖2 FRP粘貼搭接方式Fig.2 Lap-splice of FRP

圖3 應(yīng)變片的粘貼位置示意圖Fig.3 Strain gauges layout

圖4 成型試件Fig.4 Specimens

1.3 試驗(yàn)加載方案

本次試驗(yàn)加載儀器采用3 000 kN微機(jī)控制電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī) 采用平板鉸加載 有關(guān)應(yīng)變和位移的試驗(yàn)數(shù)據(jù)由TDS303靜態(tài)電阻應(yīng)變采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)時(shí)在試件兩邊對(duì)稱布置2個(gè)外置位移計(jì)，并在垂直布置試驗(yàn)機(jī)配套使用的位移計(jì)1個(gè)。同時(shí)對(duì)試件進(jìn)行了比較精確的幾何和物理對(duì)中，以確保軸心受壓。

在彈性范圍內(nèi)，進(jìn)行幾次預(yù)加載，預(yù)壓至極限荷載的20%左右，一般設(shè)為200kN，以100kN/min的速率加載。預(yù)壓過程中用應(yīng)變片讀值進(jìn)行物理對(duì)中，反復(fù)3次，消除間隙影響，在保證彈性階段各截面中部對(duì)應(yīng)應(yīng)變值比較接近時(shí)，進(jìn)行正式加載。

正式加載階段為了避免有空隙對(duì)試驗(yàn)造成干擾，初荷載設(shè)為5kN。本次試驗(yàn)采用連續(xù)加載制，正式加載先采用荷載控制，速率采用50kN/min，接近鋼管屈服時(shí)，即荷載－位移曲線斜率明顯減小時(shí)。當(dāng)鋼管屈服后，改用變形控制，0.3mm/min，接近破壞時(shí)，慢速加載，0.1mm/min。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

對(duì)比柱C－0試件，即為鋼管混凝土短柱的軸壓破壞特征;C－B1及C－B2試件，加載初期外觀無明顯變化，BFRP雖沒有明顯的破壞跡象但有明顯的響聲，隨著荷載的增加，中部膨脹越來越明顯，BFRP斷裂的響聲也更大。當(dāng)荷載接近最大荷載時(shí) 試件中下部的 斷裂脫落加劇 同時(shí)鋼管屈曲加大，直至試件破壞;C－C1及C－C2試件，加載初期處于彈性階段，試件外觀無明顯變化。隨著荷載的不斷增加，CFRP有零星的斷裂聲，試件的中部開始出現(xiàn)局部凸曲。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，可聽到CFRP的暴裂聲，中部的CFRP完全斷裂，此時(shí)鋼管的塑性變形明顯，隨著上部和下部的CFRP也不斷的斷裂，試件的最終承載力與鋼管混凝土軸壓短柱大致吻合，構(gòu)件保持一定的殘余承載力。典型試件破壞過程如圖5所示 (CC1)，分別經(jīng)歷纖維斷裂和鋼管屈曲等過程。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

通過對(duì)試驗(yàn)獲取的大量數(shù)據(jù)處理后，得到荷載－位移關(guān)系曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行分析對(duì)比。由圖6可看出不論是CFRP還是BFRP，在彈性變形階段，其荷載－位移關(guān)系幾乎相同，這是因?yàn)樵诖穗A段由混凝土和鋼管承受壓力，纖維基本不受力，此時(shí)纖維對(duì)荷載變形關(guān)系影響很小。當(dāng)進(jìn)入彈塑性變形階段，F(xiàn)RP的類型和層數(shù)對(duì)試件軸壓短柱承載力的貢獻(xiàn)越來越明顯。從圖中可以看出，在相同F(xiàn)RP層數(shù)的情況下，CFRP和BFRP對(duì)比，前者約束的鋼管混凝土峰值荷載較大，后者對(duì)增強(qiáng)試件的延性提高效果明顯，這是由于前者的彈性模量較大、極限應(yīng)變較小，而后者正好相反。

圖5 典型試件破壞過程 (C－C1)Fig.5 Typical failure process of specimens(C-C1)

圖6 相同層數(shù)不同類型FRP增強(qiáng)效果對(duì)比分析Fig.6 Strengthening effect of different types of FRP with same layers of FRP

圖7 FRP對(duì)各試件極限承載力提高的對(duì)比分析Fig.7 Contrast analysis of ultimate loading capacity enhancement effect of FRP

表2 各試件極限承載力的對(duì)比分析Tab.2 Contrast analysis of ultimate loading capacity of specimens

由圖7和表2給出FRP對(duì)各試件承載力提高的對(duì)比分析，隨著FRP的層數(shù)增加，極限荷載隨之增加，CFRP的提高效果明顯好于BFRP。相對(duì)于對(duì)比試件B－0，試件C－B1、C－B2、C－C1、C－C2與鋼管混凝土對(duì)比柱C－0相比分別提高了2.2%、20.6%、25.8%和34.8%，可以看出在承載力提高方面，1層CFRP相當(dāng)于兩層BFRP的效果。

3 FRP－鋼復(fù)合管混凝土抗震橋墩的試點(diǎn)工程應(yīng)用

針對(duì)近年來橋墩在地震中的破壞特點(diǎn)，橋墩的抗震設(shè)計(jì)理念越來越受到研究人員的重視，同時(shí)某些特殊場(chǎng)合下，橋墩的截面受到限制，為此南京市公路建設(shè)處及南京林業(yè)大學(xué)等有關(guān)單位在南京繞越高速公路東北段的程橋樞紐匝道B匝道、C匝橋兩個(gè)橋墩 (B匝道的14#墩、C匝道7#墩)，進(jìn)行FRP－鋼復(fù)合管混凝土橋墩的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，程橋樞紐B匝道、C匝道跨越寧連高速，其中，B匝道的14#墩、C匝道7#墩位處寧連高速的中央分隔帶，尺寸大小受到嚴(yán)重限制，特別采用了新型FRP－鋼復(fù)合管混凝土橋墩結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減小截面尺寸、縮短施工工期的目的。

經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)，該橋墩采用圓截面設(shè)計(jì)形式，4#墩高度5.671m，7#墩高度6.409m，兩橋墩除高度不同外，其余結(jié)構(gòu)形式及采用均相同，橋墩整體構(gòu)造如圖8(a)所示。鋼管選用Q235－C鋼板，外徑1.6m，厚度 t=10mm，F(xiàn)RP選用厚度為0.167mm的300g/m2碳纖維 (CFRP)，橋墩底部2.5m范圍橫向采用2層碳纖維環(huán)向復(fù)合，底部

范圍以外采用 層碳纖維環(huán)向復(fù)合 混凝土采用C30混凝土。橋墩與樁基礎(chǔ)不設(shè)承臺(tái)而直接連接，橋墩柱腳埋入樁基礎(chǔ)頂部深度為1.1m，通過樁基縱筋與鋼管焊接連接，并采用直徑10mm環(huán)向鋼筋加強(qiáng)，如圖8(b)所示。FRP外側(cè)涂抹兩層灰色復(fù)合材料專用涂料，具有抗紫外線功能，同時(shí)其外觀如同混凝土自然顏色，美觀大方。目前該橋墩正在建設(shè)中，相信在實(shí)踐應(yīng)用中能達(dá)到預(yù)期的良好效果。

圖8 FRP－鋼復(fù)合管混凝土橋墩在工程實(shí)踐中的應(yīng)用Fig.8 FRP－steel composite tube concrete piers in engineering practice

4 結(jié)論

通過對(duì)4個(gè)不同纖維類型和層數(shù)的FRP－鋼復(fù)合管混凝土短柱和1個(gè)對(duì)比短柱的軸壓試驗(yàn)，分析了各試件的荷載－位移關(guān)系曲線，了解該結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的受力特性，并簡(jiǎn)要介紹了FRP－鋼復(fù)合管混凝土橋墩在工程實(shí)踐中的應(yīng)用情況。在本次試驗(yàn)參數(shù)的范圍內(nèi)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論:

(1)FRP－鋼復(fù)合管混凝土的破壞過程基本都從試件中部處開始發(fā)生FRP斷裂，然后逐漸沿周向擴(kuò)展，F(xiàn)RP逐漸喪失對(duì)鋼管的約束力，隨后構(gòu)件保持一定的殘余承載力。

(2)無論是CFRP還是BFRP對(duì)復(fù)合管混凝土試件，隨著FRP的層數(shù)增加，極限荷載隨之增加。

(3)在相同F(xiàn)RP層數(shù)的情況下，CFRP－鋼復(fù)合管試件和BFRP－鋼復(fù)合管試件對(duì)比，CFRP－鋼復(fù)合管試件的混凝土峰值荷載較大，后者的延性提高效果明顯，這是由于前者的彈性模量較大、極限應(yīng)變較小，而后者正好相反。

目前基于本次試驗(yàn)的指導(dǎo)思想，F(xiàn)RP－鋼復(fù)合管混凝土橋墩試點(diǎn)工程正在南京繞越高速公路東北段的匝道橋建設(shè)中，相信在實(shí)踐應(yīng)用中能達(dá)到預(yù)期的良好效果。

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