GFRP管混凝土柱的GFRP管拼接方法

張 霓，王連廣，韓華鋒（東北大學資源與土木工程學院，110819沈陽）

GFRP管混凝土柱的GFRP管拼接方法

張 霓，王連廣，韓華鋒
（東北大學資源與土木工程學院，110819沈陽）

為解決實際工程中GFRP管長度不足的問題，需要將兩個或兩個以上GFRP管拼接起來，并保證拼接處的力學性能，設計了基于鋼筋、鋼板錨筋及鋼管連接件的拼接GFRP管鋼筋混凝土試件，并通過試驗，研究了拼接GFRP管鋼筋混凝土軸心受壓性能.試驗結果表明：當加載到35%Pu（極限荷載）左右時，在GFRP管的表面出現(xiàn)白紋；當加載到65%Pu左右時，GFRP管開始產(chǎn)生套箍約束作用，繼續(xù)加載，套箍約束作用繼續(xù)存在.拼接試件的破壞以GFRP管的斷裂為標志，破壞發(fā)生在距構件端部250 mm處，而對比試件的破壞發(fā)生在沿試件長度方向的中間位置；試驗所設計的3種連接方式均能夠保證拼接GFRP管鋼筋混凝土軸心受壓試件正常工作.

GFRP管；混凝土；連接件；拼接；軸心受壓

拼接GFRP管鋼筋混凝土構件是在整體構件內(nèi)部布置帶有箍筋的縱向鋼筋，并在兩個GFRP管拼接處設置連接件，再在GFRP管內(nèi)澆注混凝土而形成的一種拼接GFRP管鋼筋混凝土構件.GFRP管可以有效約束核心混凝土，提高混凝土的強度和延性；GFRP管還可作為混凝土施工時的模板，加快施工進度；GFRP管具有耐腐蝕性能，能抵抗惡劣環(huán)境的影響，可用于高腐蝕的環(huán)境中，還可以改善混凝土的耐久性及防止鋼筋銹蝕.近年來，GFRP管鋼筋混凝土構件常用于建筑結構基礎和橋梁工程中［1－5］，由于GFRP管的長度不足，常常需要將兩個或兩個以上的GFRP管拼接起來，再在其內(nèi)部澆注混凝土，形成一個連續(xù)GFRP管混凝土構件，拼接處成為整體連續(xù)構件的關鍵部位，拼接處的受力性能要好于連續(xù)整體構件的受力性能.

目前，國內(nèi)外關于GFRP管鋼筋混凝土組合構件的性能研究相對較多，而對拼接GFRP管鋼筋混凝土組合構件的力學性能研究相對較少.文獻［6］采用0.6 m長的短鋼管，鋼管外徑與FRP管內(nèi)徑相同，將3個4.6 m長單元拼接成13.7 m長FRP管混凝土樁，試驗結果表明這種拼接方式可以保證FRP管混凝土樁正常工作；文獻［7］將4 m和5.8 m長的兩部分拼接成9.1 m長的FRP管混凝土樁，其中0.6 m長的凹凸拼接重疊部分，拼接部分的FRP管厚度為管壁厚度的1／2，重疊區(qū)域在現(xiàn)場安裝前用環(huán)氧樹脂潤濕，采用這種拼接方式要在打樁之前完成，不能在打樁過程中拼接；文獻［8］將4個外徑357 mm，長13.7 m的FRP管混凝土樁（包括1個拼接樁）打入地下后拔出，并測試其性能，拼接樁是由10.7 m和3 m長的兩部分拼接而成，拼接接頭是2個50 mm厚的圓板，將8根直徑19 mm、長2.7 m的鋼筋端部擰入圓板上螺紋孔中，每個板安裝在一個GFRP管端部，并填充混凝土.每個板四周有4個T型槽，將2個板的T型凹槽對準以形成I型槽，將一個I型鑰匙插入連接接頭固定.試驗結果表明，該機械接頭表現(xiàn)良好，承載力比FRP樁高7%；文獻［9］進行了4根拼接梁的試驗研究，拼接梁采用2個312 mm外徑，1.1 m長的部分拼接而成，其中3根為內(nèi)部拼接，分別用鋼筋、FRP筋及無黏結預應力筋；第4根為外部拼接，采用在管道行業(yè)中常用的FRP插座.研究結果表明，如果對灌漿質量進行控制，內(nèi)部連接件可以提高拼接梁的剛度和強度，外部連接件取決于其連接剛度.在國內(nèi)，文獻［10］對鋼筋拼接GFRP管混凝土組合構件的軸壓性能進行試驗研究，分別采用4、6、8根鋼筋連接，試驗結果表明縱筋對連接處變形基本沒有影響，拼接試驗連接處未破壞，采用4根鋼筋連接即可保證拼接GFRP管混凝土軸心受壓構件正常工作；文獻［11］對基于鋼板鋼筋連接的拼接GFRP管混凝土組合構件的抗彎性能進行了試驗研究，建議連接處最小含鋼率取1.96%.拼接GFRP管鋼筋混凝土構件的拼接處受力相對連續(xù)整體更為復雜，為此，在實際工程應用中，需要保證拼接處的受力性能要比連續(xù)整體部分好，才能保證拼接GFRP管鋼筋混凝土構件在使用中達到理想狀態(tài).基于此，本文根據(jù)GFRP管鋼筋混凝土構件的結構及受力特點，設計了基于鋼筋、鋼板錨筋及鋼管作為拼接處連接件，以此制作了拼接GFRP管鋼筋混凝土試件，通過試驗，研究其在軸心受壓下的工作機理和破壞模式，并對其力學性能進行了分析.

1 試 驗

本次試驗共設計了5根GFRP管鋼筋混凝土試件，其中，1根基于鋼筋連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土試件（GRCS－1），1根基于鋼板鋼筋連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土試件（GRCSP－2），2根基于鋼管連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土試件（GRCST－3和GRCST－4），1根連續(xù)整體的GFRP管鋼筋混凝土對比試件（GRC－5）.試驗所用的GFRP管的內(nèi)直徑為200 mm，管壁厚度為5.5 mm，GFRP管的實測性能參數(shù)見表1.

表1 GFRP管材料性能參數(shù)表

試件的總高度為700 mm（2根350 mm長的管拼接而成）.試驗所用的混凝土150 mm立方體試塊的抗壓強度為40.8 MPa.鋼筋連接件的縱筋4Φ14，箍筋?8＠50；鋼板錨筋連接件是在直徑210 mm的鋼板兩面上焊接長度為300 mm的鋼筋，鋼板上留有4個孔洞（受力鋼筋由此孔穿入）；鋼管連接件的鋼管的外徑為113 mm，管壁厚度為3.5 mm.所有試件均設有4根通長Φ14縱筋，箍筋為?8＠150，鋼筋及鋼管的實測力學性能見表2.

表2 鋼筋性能參數(shù)表

試驗前，按設計要求制作GFRP管、連接件及鋼筋籠，并在設計的位置上粘貼應變片.GFRP管及連接件形式，如圖1所示，各試件的主要設計參數(shù)，見表3.

試件制作過程：1）基于鋼筋連接的試件制作：首先按設計要求制作受力鋼筋，長度為700 mm，縱筋為4Φ14，在受力鋼筋中部300 mm范圍內(nèi)采用?8箍筋加密，間距為50 mm，并在兩端部各加2道，間距50 mm.將制作好的鋼筋籠放置在拼接的兩個GFRP管內(nèi)，再在GFRP管內(nèi)灌注混凝土.在實際工程中，按設計要求確定用于拼接的GFRP管的長度，制作受力鋼筋，并綁扎鋼筋籠，在連接處將用于連接的鋼筋固定在受力鋼筋籠上，安裝并固定下部GFRP管，將帶有鋼筋連接件的鋼筋籠放入下部GFRP管中，并固定其位置，然后安裝上部GFRP管，保證GFRP管上下位置對準，封閉連接處避免漏漿，再在上部GFFP管內(nèi)灌入混凝土.2）基于鋼板錨筋連接的試件制作：制作受力鋼筋，長度為700 mm，縱筋為4Φ14，先將其中1／2綁扎上箍筋，箍筋為?8，間距150，50 mm兩種.制作鋼板錨筋連接件，按設計要求，在直徑為210 mm的鋼板兩面（反正面）上焊接長度為300 mm的鋼筋，鋼板上留有4個孔洞（受力鋼筋從此孔穿入）.將帶有1／2箍筋的鋼筋籠（綁扎好箍筋的放在下面）放入其中一個GFRP管內(nèi)，在GFRP管內(nèi)灌滿混凝土，將鋼板錨筋連接件放在灌滿混凝土的GFRP管上（縱向受力鋼筋穿過鋼板孔），綁扎另1／2受力鋼筋的箍筋，再將另一個GFRP管放在鋼板上，并灌滿混凝土.在實際工程中，按設計要求確定用于拼接的GFRP管的長度，制作受力鋼筋（按下部GFRP長度，在受力鋼筋下部綁扎箍筋），制作鋼板錨筋連接件，在鋼板上預留穿入受力鋼筋的孔洞（受力鋼筋從此孔穿入鋼板），安裝并固定下部GFRP管，并將綁扎的鋼筋籠放入下部GFRP管中，安裝上部GFRP管，從上部GFRP管往下灌注混凝土，當灌至連接處時，將上部GFRP管取下，將鋼板錨筋連接件放在灌入混凝土的下部GFRP管上（縱向受力鋼筋穿過鋼板孔），綁扎上部受力鋼筋，安裝上部GFRP管，封閉連接處避免漏漿，在上部GFRP管內(nèi)灌入混凝土.3）基于鋼管連接的試件制作：首先制作鋼筋籠（縱筋為4Φ14，箍筋?8＠150，并在兩端部各加2道，間距50 mm）和鋼管連接件（長度為100，200 mm兩種），將兩個GFRP管拼接在一起，將制作好的鋼筋籠放入GFRP管中，在GFRP管內(nèi)灌入混凝土，在接近灌滿下面的GFRP管時，將準備好的鋼管連接件放入GFRP管內(nèi)部，保證鋼管1／2在下部GFRP管混凝土內(nèi)，繼續(xù)灌入混凝土至上部GFRP管灌滿.在實際工程中，按設計要求確定用于拼接的GFRP管的長度，制作受力鋼筋，并綁扎鋼筋籠，在連接處將用于連接的鋼管焊接在受力鋼筋籠上，安裝下部GFRP管，將帶有鋼管連接件的鋼筋籠放入下部GFRP管中，并固定其位置，然后安裝上部GFRP管，保證GFRP管上下位置對準，封閉連接處避免漏漿，再在上部GFFP管內(nèi)灌入混凝土.

圖1 GFRP管及連接件形式

表3 主要設計參數(shù)

鋼筋及鋼板錨筋連接件按GFRP管混凝土偏心受壓構件，配置縱向受力鋼筋用量，按鋼筋與混凝土錨固長度確定鋼筋長度，按構造和箍筋約束混凝土的作用機理確定箍筋間距.鋼管連接件按鋼管混凝土偏心受壓來確定，按套箍作用確定鋼管的直徑，按端部效應確定鋼管的長度.

試驗前，在GFRP管的中部及上下1／4截面位置處分別粘貼應變片，以測量GFRP管的環(huán)向和縱向應變.為了防止試件端部破壞，在端部設置了鋼管夾具，以防端部應力集中使端部發(fā)生局部破壞，如圖2所示.試驗所采用的受壓方式為核心混凝土和GFRP管共同承壓，試驗在5 000 kN試驗機上進行，加載采用單調(diào)分級加載方式.

圖2 試件與測試

2 結果和分析

2.1 破壞模式

在荷載作用初期，GFRP管與內(nèi)部鋼筋、鋼管及混凝土變形都很小，試件處于彈性受力工作階段.當加載到35%Pu（極限荷載）左右時，GFRP管的表面開始出現(xiàn)白色條紋；繼續(xù)加載到45%Pu時，條紋變得比較明顯；荷載繼續(xù)增加，GFRP管表面的纖維顏色逐漸變得不規(guī)則，并隨荷載的增加，白色條紋的范圍也在不斷地向外擴展；當加載到80%Pu左右時，可以偶爾聽到GFRP管纖維斷裂和樹脂開裂的聲音.在荷載達到極限荷載Pu（GRCS－1：2 700 kN；GRCSP－2：2 900 kN；GRCST－3：2 870 kN；GRCST－4：2 810 kN；GRC－5：2 800 kN）時，伴隨著較大的響聲，在距離端部250 mm處（GRCS－1：距離下端250 mm；GRCPS－2：距離下端200 mm；GRCST－3：距離上端250 mm；GRCST－4：距離上端250 mm；GRC－5：沿試件長度方向的中部），GFRP管的纖維開始發(fā)生斷裂，并沿著纖維方向從斷裂的位置向兩側迅速剝離、擴展.試件GRCS－1、GRCSP－2和GRCST－3的中部拼接處沒有發(fā)生破壞，試件GRCST－4的拼接處幾乎同時發(fā)生破壞，而對比試件的破壞發(fā)生在沿試件長度方向的中間位置.說明，利用鋼筋、鋼板錨筋及鋼管連接均能夠保證拼接GFRP管鋼筋混凝土軸心受壓試件正常工作，而200 mm長鋼管的連接性能比100 mm長鋼管的連接性能好，原因是200 m長的管對混凝土的約束范圍大，使內(nèi)部混凝土受力更加均勻.試件破壞模式，如圖3所示.

圖3 試件的破壞模式

圖4 荷載與變形關系曲線

2.2 荷載與變形

由試驗得到試件的荷載與變形關系曲線，如圖4所示.由圖4可以看出，在荷載達到極限荷載以前，各試件的荷載與變形關系曲線基本相似，均呈非線性關系；當加載到65%Pu左右時，荷載與變形關系曲線出現(xiàn)明顯的轉折點，變形增長速度明顯大于荷載增長速度，此時試件變形分別為6.1、6.6、5.0、4.6、3.4 mm.繼續(xù)加載到極限荷載時，試件最大變形依次為15.0、20.8、17.8、15.4、12.9 mm.各試件的荷載與變形關系曲線類似，承載力相近.說明鋼筋、鋼板錨筋及鋼管連接方式對拼接試件承載力基本沒有影響，3種連接方式均能保證拼接試件正常工作.

2.3 荷載與應變

由試驗得到試件的GFRP管、鋼管內(nèi)部鋼筋及箍筋的荷載與應變關系曲線，如圖5所示.

圖5 試件的荷載與應變關系曲線

由圖5（a）可知，在加載初期，各個試件中GFRP管的荷載與應變關系曲線表現(xiàn)出明顯的線性，說明試件處于彈性工作階段，此階段混凝土產(chǎn)生的橫向變形較小，GFRP管的彈性模量較低，對核心混凝土幾乎沒有約束作用；當加載到65%Pu左右時，GFRP管應變的增長速度大于荷載的增長速度，此階段混凝土橫向變形增加導致混凝土與GFRP管之間產(chǎn)生徑向壓力，GFRP管對核心混凝土產(chǎn)生約束作用；繼續(xù)加載，GFRP管的荷載與應變曲線大致呈線性變化，說明GFRP管對內(nèi)部混凝土繼續(xù)產(chǎn)生約束作用，拼接處的連接件種類對GFRP管鋼筋混凝土拼接試件環(huán)向、縱向的影響很小.由圖5（b）可知，在加載初期，鋼管的荷載與環(huán)向應變關系曲線表現(xiàn)出明顯的線性，當加載到55%左右時，鋼管的環(huán)向變形開始呈非線性增長.當達到極限狀態(tài)時，試件GRCST－3中鋼管的環(huán)向未屈服，而GRCST－4的環(huán)向已經(jīng)屈服；在加載初期，鋼管的荷載與縱向應變關系曲線呈線性，當加載到65%Pu左右時，鋼管的縱向應變曲線開始出現(xiàn)明顯的轉折點，應變隨荷載的增加而迅速增加，在達到極限荷載時，鋼管的縱向均已屈服.由圖5（c）、（d）可知，在加載初期，縱向受力鋼筋中部的荷載與應變關系曲線呈線性關系，繼續(xù)加載，應變增長速度明顯大于荷載增長速度，說明此時試件已經(jīng)進入彈塑性階段，當達到極限荷載時，試件GRCS－1、GRCSP－2中縱筋已經(jīng)屈服.試件GRCS－1、GRCSP－2、GRCST－3和試件GRCST－4中箍筋的荷載與應變關系曲線與對比件GRC－5中箍筋的荷載與應變關系曲線基本相似.在達到極限狀態(tài)時，各試件的箍筋均已屈服.

由此可以看出，鋼筋、鋼板錨筋及鋼管3種連接方式均能保證拼接GFRP管鋼筋混凝土軸壓試件正常工作，鋼筋連接與鋼板錨筋連接受力機理類似，但鋼板錨筋連接件的制作比較復雜，鋼管連接對拼接處混凝土的約束作用優(yōu)于鋼筋及鋼板錨筋連接，所以在實際工程中推薦采用鋼管連接的方式.

3 承載力計算

在軸向荷載作用下，拼接GFRP管鋼筋混凝土構件的破壞位置可能發(fā)生在拼接處或是非連接處，因此對于不同破壞位置給出相應的計算公式.

1）GFRP管鋼筋混凝土構件（對比件）.

拼接GFRP管混凝土構件在軸壓下的承載力計算為

式中：fc，f為受GFRP管約束混凝土的軸心抗壓強度；Ac為受GFRP管約束混凝土截面面積；fc，s為受箍筋約束混凝土的軸心抗壓強度；Acs為受箍筋約束混凝土截面面積；σf2為GFRP管軸向強度；Af為GFRP管的截面面積；fs為縱向鋼筋的屈服強度；As為縱筋總截面面積.

2）基于鋼筋連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土構件.

此種情況連接處和非連接處公式相同（同GFRP管鋼筋混凝土對比件，即式（1）），但縱筋數(shù)量不同.

3）基于鋼板錨筋連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土構件.

此種情況連接處和非連接處公式相同（同GFRP管鋼筋混凝土對比件，即式（1）），但縱筋數(shù)量不同.

4）基于鋼管連接的拼接GFRP管鋼筋混凝土構件.

①連接處.此種情況考慮鋼管、GFRP管、縱筋和箍筋的共同作用，承載力計算為

式中：fc，t為鋼管約束混凝土的軸心抗壓強度；Act為受鋼管約束的混凝土截面面積.

②非連接處（同GFRP管鋼筋混凝土對比件，即式（1））.

為了驗證建立的拼接GFRP管鋼筋混凝土組合構件軸壓承載力公式的正確性，將計算結果與試驗結果進行比較，見表4.計算結果與試驗結果比值的平均值為0.974，比值的標準差為0.036，說明計算結果與試驗結果吻合良好.

表4 試驗結果與計算結果

4 結 論

1）當加載到35%Pu左右時，在GFRP管的表面出現(xiàn)白紋；當加載到65%Pu左右時，GFRP管開始產(chǎn)生套箍約束作用，繼續(xù)加載，套箍約束作用繼續(xù)存在.

2）拼接試件的破壞以GFRP管的斷裂為標志，破壞發(fā)生在距構件端部250 mm處，而對比試件的破壞發(fā)生在沿試件長度方向的中間位置.

3）試驗設計的鋼筋、鋼板錨筋和鋼管連接方式均能夠保證拼接GFRP管鋼筋混凝土軸壓試件正常工作，3種連接方式對GFRP管鋼筋混凝土拼接試件承載力影響不明顯，而200 mm長的鋼管的連接性能比100 mm長鋼管的連接性能好，在實際工程中推薦采用鋼管連接的方式.

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（編輯 張 紅）

GFRP tube splicing method of GFRP concrete column

ZHANG Ni，WANG Lianguang，HAN Huafeng
（College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，110819 Shenyang，China）

In order to solve the problem of GFRP tube in practical engineering，two or more than two GFRP tubes were spliced together and the mechanical properties of the joint were guaranteed.The experimental research on the mechanical property of continuous reinforced concrete?filled GFRP tubular specimen and splicing composite columns connected with steel bars，steel plates and steel tubes subjected to axial loading was conducted，and the results showed thatthe white stripes appeared on the surface of GFRP tube when the load respectively reached about 35%Pu（Pu?limit load），and the confinement effect of GFRP tube began to produce when the load reached 65%Pu. With continued loading，the confinement effect still existed，and the failure of splicing specimens with GFRP tube was a symbol，and the splicing specimens occurred near the end of connectors around 250 mm.Relatively，the failure of the continuous specimen occurred in the middle position along the length direction of the specimen.The chosen connecting ways with three methods could ensure the normal work of splicing reinforced concrete?filled GFRP tubular composite columns under axial compression.

GFRP tube；concrete；connection；splicing；axial compression

TU398

A

0367－6234（2015）10－0064－06

10.11918／j.issn.0367?6234.2015.10.013

2014－07－10.

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（120401010）.

張 霓（1985—），女，博士研究生；王連廣（1964—），男，教授，博士生導師.

張 霓，13066758899＠163.com.