CFRP加固受損鋼管混凝土軸壓柱試驗研究

顧威，李宏男，孫國帥

（1.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校公路工程質(zhì)量檢測中心，遼寧沈陽 110122；2.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116026）

鋼管混凝土作為一種承壓構(gòu)件在中國已被廣泛應(yīng)用于工民建、橋梁等土木工程領(lǐng)域.當(dāng)鋼管受到較大腐蝕或受到外力損傷時，鋼管混凝土承載力會大大縮減，將給結(jié)構(gòu)帶來安全隱患.目前除了本課題組［1－7］外，已有多位國內(nèi)外學(xué)者對碳纖維復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）鋼管混凝土構(gòu)件進行了研究，如Tao等［8－9］對該構(gòu)件軸壓柱的力學(xué)行為進行了分析；肖巖等［10］利用CFRP對鋼管混凝土的節(jié)點等部位進行了局部加強.本文在CFRP鋼管混凝土構(gòu)件的基礎(chǔ)上，提出利用CFRP對受損的鋼管混凝土進行加固，考察加固前后其承載力變化情況，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的加固開辟一個新的方向.

1 試驗研究

在鋼管中部外表面用機床對鋼管進行車削，利用機械加工削弱鋼管的壁厚來模擬鋼管受到的腐蝕和損傷情況.對比纏繞CFRP 前后受損鋼管混凝土的荷載－應(yīng)變曲線和極限承載力，來考察CFRP 對受損鋼管混凝土的加固效果.為此，試驗共設(shè)計了8個試件，其構(gòu)造示意圖見圖1.

圖1 試件示意圖Fig.1 Diagram of specimen

1.1 試件參數(shù)

鋼管原壁厚T 為4.5 mm，鋼管外徑D 為114mm.將試件中間部位進行車削加工，其削弱高度H 為鋼管長度L 的1／10，試件按照鋼管的長細(xì)比λ（λ＝4L／D）分為4組，所有試件削弱深度t均為1 mm.對鋼管加固的CFRP 為內(nèi)外2層，內(nèi)層CFRP高度Cn為鋼管削弱部位的高度H，外層CFRP高度Cw為300mm，8組試件的具體參數(shù)見表1.試件參數(shù)選取時充分參考了CFRP 鋼管混凝土軸壓長柱試驗研究［3］，由于承載力差別不大，故整合了長度在1m 以內(nèi)的試件，去掉了長度在2m 以上的試件.

鋼管下部焊接鋼板，使之垂直立于地面，在其中灌注混凝土，上部采用鋼板挖槽扣在鋼管上，以防止焊接對核心混凝土造成傷害.核心混凝土設(shè)計標(biāo)號為C40，配合比m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）＝0.380∶1∶1.045∶2.121.28d混凝土試塊抗壓強度為46.50MPa.

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

CFRP的力學(xué)性能見表2.采用遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院研制生產(chǎn)的JGN－C建筑結(jié)構(gòu)黏合劑和JGNP建筑結(jié)構(gòu)黏合劑作為黏侵膠和底膠，黏接方式為纖維布搭接黏接，搭接長度為150mm，以便保證黏接質(zhì)量.

表2 CFRP的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of carbon fiber reinforced plastics

1.2 試驗裝置

試驗擬考察被CFRP加固前后的受損鋼管混凝土的力學(xué)性能.參考文獻［3］，長細(xì)比λ為15的軸壓短柱破壞形式屬于強度破壞，下端采用壓力機下方的球鉸支撐，上端利用壓力機的鋼梁作為固端支撐；除長細(xì)比λ為15的另外3種試件都屬于失穩(wěn)破壞，均采用上端為刀鉸、下端為球鉸的支撐方式（見圖2）來模擬失穩(wěn)破壞形式.

1.3 加載制度

試驗在遼寧省交通高等專科學(xué)校結(jié)構(gòu)工程實驗室的1000t壓力機上進行.試驗時將試件直接放在壓力機上，為準(zhǔn)確測量試件各部分材料的應(yīng)變，在每個試件鋼管外壁中截面處沿周長均布4對縱向和環(huán)向電阻應(yīng)變片，在CFRP 外壁中截面處沿周長方向均布4個環(huán)向應(yīng)變片，沿試件撓度方向還設(shè)置了位移計以測定試件的撓度變形.試驗采用分級加載制，在彈性范圍內(nèi)，每級荷載為預(yù)計荷載的1／10，持荷時間約為3min，接近破壞時，改為慢速連續(xù)加載.

1.4 試驗現(xiàn)象

1.4.1 軸壓短柱試驗

圖2 加載示意圖及裝置圖Fig.2 Schematic of loading device

長細(xì)比λ為15的試件，其破壞形式屬于強度破壞，在試驗過程中試件破壞呈現(xiàn)明顯強度破壞特征.未纏繞CFRP的試件在荷載達(dá)到極限荷載的70%左右時，在被削弱的鋼管處出現(xiàn)滑移曲線.荷載達(dá)到1030kN 時鋼管表面出現(xiàn)可見變形；載荷達(dá)到極限時，削弱部位屈曲變形明顯，此時鋼管縱向應(yīng)變?yōu)?972×10－6.

對于纏繞CFRP的試件，當(dāng)荷載達(dá)到360kN 時可聽到纖維輕微斷裂聲，這表明CFRP 局部發(fā)生斷裂；當(dāng)荷載達(dá)到1132kN 時CFRP 發(fā)出響聲；載荷達(dá)到1160kN 時上部鋼管出現(xiàn)明顯變形；荷載達(dá)到1250kN 時CFRP 發(fā)生爆裂，荷載出現(xiàn)小范圍降低.由于鋼管約束系數(shù)較大，在達(dá)到極限荷載后并未出現(xiàn)明顯下降趨勢.

圖3為纏繞CFRP試件與未纏繞試件在加載后的照片，其中unit 1為未纏繞試件加載后破壞照片，unit 2為用CFRP加固后的試件破壞照片.

圖3 典型試件破壞照片F(xiàn)ig.3 Photograph of typical failed specimens

1.4.2 軸壓中長柱試驗

對于長細(xì)比λ為42，52和63的3類試件試驗現(xiàn)象統(tǒng)一進行描述.

未纏繞CFRP試件的試驗現(xiàn)象：加載初始階段荷載與試件縱向應(yīng)變關(guān)系呈線性上升趨勢，且趨勢平穩(wěn)，從側(cè)向位移計能夠觀察到的試件側(cè)位移很小，整個試件變形和鋼管表面變化不明顯；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的60%～70%時，試件開始出現(xiàn)可見側(cè)向撓曲變形，不過變形量依然不大；隨著荷載增加直到接近極限荷載時，試件的側(cè)向撓曲程度開始迅速增大，試件發(fā)生失穩(wěn)破壞.

纏繞CFRP 試件的試驗現(xiàn)象：加載的初始階段荷載與應(yīng)變關(guān)系等特征與未纏繞CFRP 試件相似，偶爾能聽見纖維的局部輕微斷裂聲音；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的60%～70%時，試件開始出現(xiàn)側(cè)向撓曲變形；荷載達(dá)到極限荷載的90%時，出現(xiàn)CFRP 的脆斷響聲，試件的側(cè)向撓曲程度開始迅速增大，荷載增加速度變慢，試件的失穩(wěn)破壞形式明顯.

1.5 試驗結(jié)果

圖4為各試件的荷載與試件縱向應(yīng)變關(guān)系曲線圖，由圖4可以看出：（1）利用CFRP 材料對試件進行加固后，試件的極限承載力有所增加，且試件越短，增加效果越明顯，隨著試件長度的增加，該趨勢逐漸減弱；（2）400mm 試件的極限承載力和彈性模量都高于1200mm 試件，由此可見，試件的長細(xì)比對于試件的極限承載力和彈性模量有很大影響；（3）400mm試件受CFRP 加固后，被削弱部分達(dá)到極限承載力后，整個試件的持荷狀態(tài)依然穩(wěn)定，與鋼管約束系數(shù)較大的鋼管混凝土的荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線相類似［3］，達(dá)到極限承載力后荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線仍保持上升趨勢；而未加固試件的關(guān)系曲線則與鋼管約束系數(shù)小的鋼管混凝土的荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線類似，達(dá)到極限狀態(tài)后關(guān)系曲線下降趨勢明顯，這說明受損鋼管混凝土利用CFRP加固后鋼管力學(xué)性能得到良好改善，即使在CFRP 斷裂后試件的力學(xué)性能仍然可以保持良好狀態(tài)；（4）1200mm 試件和1500mm試件用CFRP 材料加固后彈性模量明顯增加，極限承載力增加不明顯，而對于1800mm 試件來說，彈性模量與極限承載力的增加只是局部明顯，表明隨著試件長細(xì)比λ的加大，受損鋼管混凝土利用CFRP材料的加固效果越來越不顯著.

圖4 各試件荷載－縱向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Curves of load－deformation

2 理論計算

用CFRP材料加固的受損鋼管混凝土試件與CFRP鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能相似，鋼管厚度可取為受損后鋼管的實際壁厚.因此對于采用CFRP加固的受損鋼管混凝土軸壓試件的極限承載力可依照CFRP鋼管混凝土構(gòu)件的極限承載力公式（1）進行計算［1］：

對于長細(xì)比λ較大的試件采用式（2）進行計算［3］：

表3 計算結(jié)果Table 3 Results

3 結(jié)論

（1）CFRP可以提高受損鋼管混凝土的極限承載力和彈性模量，且提高幅度隨著長細(xì)比的增加而減小，是一種可以應(yīng)用于受損鋼管混凝土的加固方法.

（2）在理論分析中應(yīng)用已有的CFRP 鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的承載力公式對加固受損的鋼管混凝土極限承載力進行計算，并與試驗值相比較后發(fā)現(xiàn)，兩者吻合良好.

（3）利用CFRP對受損鋼管混凝土構(gòu)件進行加固是一種可行的加固方法，且該加固方法拓寬了CFRP鋼管混凝土構(gòu)件的應(yīng)用范疇.

［1］顧威，趙穎華，尚東偉.CFRP 鋼管混凝土軸壓短柱承載力分析［J］.工程力學(xué)，2006，23（1）：149－153.GU Wei，ZHAO Ying－h(huán)ua，SHANG Dong－wei.Load carrying capacity of concrete filled CFRP－steel tubes under axial compression［J］.Engineering Mechanics，2006，23（1）：149－153.（in Chinese）

［2］顧威，關(guān)崇偉，趙穎華.圓CFRP 鋼復(fù)合管混凝土軸壓短柱試驗研究［J］.沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，20（2）：118－120.GU Wei，GUAN Chong－wei，ZHAO Ying－h(huán)ua.Experimental study on concentrically－compressed circular concrete filled CFRP－steel composite tubular short columns［J］.Journal of Shenyang Architectural and Civil Engineering University：Natural Science，2004，20（2）：118－120.（in Chinese）

［3］顧威，趙穎華.CFRP鋼管混凝土軸壓長柱試驗研究［J］.土木工程學(xué)報.2007，40（11）：23－28.GU Wei，ZHAO Ying－h(huán)ua.Experimental study on concrete filled CFRP－steel tube columns with axial compression［J］.Journal of China Civil Engineering，2007，40（11）：23－28.（in Chinese）

［4］顧威，趙穎華，賈永新.CFRP 鋼管混凝土長柱承載力的研究［J］.工程力學(xué)2008，25（7）：147－152.GU Wei，ZHAO Ying－h(huán)ua，JIA Yong－xin.Research on bearing capacity of long concrete－filled CFRP－steel tubular columnswith axial compression［J］.Engineering Mechanics，2008，25（7）：147－152.（in Chinese）

［5］ZHAO Ying－h(huán)ua，GU Wei，WANG Qing－li.Experimental study on the compressive strength of concrete filled CFRPsteel columns［C］∥Proceedings of the 6th China－Japan－US Joint Conference on Composite Materials（CJAJCC－6）.Chongqing：［s.n.］，2004：7－11.

［6］王慶利，朱賀飛，高軼夫.圓CFRP－鋼管約束混凝土軸壓力作用下的本構(gòu)關(guān)系［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版.2007，23（2）：199－203.WANG Qing－li，ZHU He－fei，Gao Yi－fu.Constitutive relationship of concrete confined by circular CFRP－steel composite tube under concentrical load［J］.Journal of Shenyang Architectural and Civil Engineering University：Natural Science，2007，23（2）：199－203.（in Chinese）

［7］王慶利，李寧，韓佛，等.CFRP－鋼管混凝土軸壓構(gòu)件試驗研究［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版.2006，22（5）：709－712，725.WANG Qing－li，LI Ning，HAN Fu，et al.Experimental study on concentrically compressed concrete filled circular CFRPsteel tubular members［J］.Journal of Shenyang Architectural and Civil Engineering University：Natural Science，2006，22（5）：709－712，725.（in Chinese）

［8］TAO Zhong，HAN Lin－h(huán)ai，ZHUANG Jin－ping.Axial loading behavior of CFRP strengthened concrete－filled steel tubular stub columns［J］.Advances in Structural Engineering，2007，10（1）：37－46.

［9］于峰，牛荻濤，王忠文，等.FRP 約束鋼管混凝土柱承載力分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，39（S2）：44－46.YU Feng，NIU Di－tao，WANG Zhong－wen，et al.Analysis on bearing capacity of FRP－confined concrete filled steel tubes［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39（S2）：44－46.（in Chinese）

［10］肖巖，何文輝，毛小勇.約束鋼管混凝土柱的開發(fā)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2004，25（6）：59－66.XIAO Yan，HE Wen－h(huán)ui，MAO Xiao－yong.Development of confined concrete filled tubular（CCFT）columns［J］.Journal of Building Structures，2004，25（6）：59－66.（in Chinese）