軸心受壓下GFRP管-型鋼-混凝土組合柱的尺寸效應(yīng)

張云峰，　吳紫陽，　袁朝慶

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

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軸心受壓下GFRP管-型鋼-混凝土組合柱的尺寸效應(yīng)

張云峰，吳紫陽，袁朝慶

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

為研究尺寸效應(yīng)對GSC組合柱力學(xué)性能的影響，對24根GSC組合柱試件進(jìn)行軸心受壓實驗，通過荷載-應(yīng)變曲線，分析尺寸效應(yīng)對GSC組合柱軸心受壓下力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著構(gòu)件尺寸的增大，極限承載力和延性逐漸降低，且在構(gòu)件尺寸較小時，削弱程度較高，尺寸較大時，削弱程度則相對比較低;提高混凝土強(qiáng)度等級，會使尺寸效應(yīng)減弱。該研究為GSC組合柱的實際應(yīng)用提供了依據(jù)。

GFRP管-型鋼-混凝土組合柱； 軸心受壓; 荷載-應(yīng)變曲線； 尺寸效應(yīng)

0　引　言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)包括玻璃纖維增強(qiáng)材料(GFRP)和碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料(CFRP)。它具有抗腐蝕能力強(qiáng)、耐久性好、抗拉強(qiáng)度高、自重小、可塑性強(qiáng)等特性。隨著FRP管組合結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展，GSC組合柱集眾多優(yōu)點(diǎn)于一身，一經(jīng)提出，就受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于組合柱內(nèi)部型鋼的存在，使其抗剪能力和抗震延性得到提高。核心混凝土的存在也解決了GFRP管這種薄壁構(gòu)件的穩(wěn)定問題，有效防止局部屈曲破壞。同時，由于GFRP管的約束，核心混凝土處于三向受力狀態(tài)，其強(qiáng)度和延性得到提高，內(nèi)部型鋼和混凝土也受到GFRP外管的有效保護(hù)。

尺寸效應(yīng)是準(zhǔn)脆性材料的固有特征，指的是材料的力學(xué)性能不再是一個常數(shù)，隨著結(jié)構(gòu)尺寸的變化而變化。即在不同的尺寸下，材料的力學(xué)性能會產(chǎn)生差異。出于安全考慮，尺寸效應(yīng)對實際應(yīng)用具有不可忽略的影響，因此，筆者開展對GSC組合柱尺寸效應(yīng)影響的研究。

1　實驗過程

1.1實驗構(gòu)件

為研究尺寸效應(yīng)對GSC組合短柱軸心受壓下力學(xué)性能的影響規(guī)律，包括GFRP管、混凝土和型鋼在極限狀態(tài)下的破壞形態(tài)，及其破壞模式、極限承載能力以及延性性能的影響，根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級不同，將試件分為兩組，每組四根柱，每組四個試件的尺寸成比例變化，同時控制其他影響因素確保相同，以此方法進(jìn)行實驗分析。GSC構(gòu)件如圖1所示。

圖1　GSC構(gòu)件

實驗用軸壓24根GSC組合短柱，根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級的不同將其分為A、B兩組，混凝土有C30和C40兩種強(qiáng)度等級，每組各有四種不同尺寸的構(gòu)件，分別為100 mm×300 mm、150 mm×450 mm、200 mm×600 mm、250 mm×750 mm，每種尺寸相同的構(gòu)件各有三根，保持所有構(gòu)件GFRP管的厚度、配鋼率、長徑比相同。所有試件GFRP管厚度為4 mm，配鋼率保持在9%左右，長徑比都為3。

1.2材料性能參數(shù)

實驗所用GFRP管為預(yù)制GFRP管，由大慶市某玻璃纖維鋼管生產(chǎn)有限公司生產(chǎn)制造， GFRP管的相關(guān)材料性能參數(shù)：相對密度為2.68，模量22 GPa，比模8.21，控伸強(qiáng)度0.43 GPa,比強(qiáng)度為0.16 GPa，熱脹系數(shù)7.5×10-6℃，延伸率4.8%。

實驗所用混凝土強(qiáng)度等級分別為C30、C40，采用大慶蒙西水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥，各項物理力學(xué)性能指標(biāo)均符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定。C30和C40的混凝土配比見表1。表1中ρs、ρn、ρc、ρz分別表示水、水泥、砂子和石子。

表1　C30和C40混凝土配合比

1.3實驗測點(diǎn)布置及測量裝置

實驗的測點(diǎn)主要為應(yīng)變測點(diǎn)和位移測點(diǎn)。A、B兩組試件的測點(diǎn)布置在沿環(huán)向每隔90°、軸向的四等分點(diǎn)上各粘貼一片軸向應(yīng)變片和環(huán)向應(yīng)變片，每根柱一共12個應(yīng)變測點(diǎn)。所有應(yīng)變片的應(yīng)變讀數(shù)、加載設(shè)備的荷載均由DH-3818靜態(tài)應(yīng)變測量儀實時記錄。應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖2a，另外，在柱前后兩側(cè)各布置兩個百分表，分別測量試件的環(huán)向位移和軸向位移，應(yīng)變測量儀見圖2b。

a　應(yīng)變測點(diǎn)布置

b　應(yīng)變測量儀

1.4實驗加載方案

采用單調(diào)軸向壓力實驗，所有試件均在500 t微機(jī)控制電液伺服壓力實驗機(jī)上進(jìn)行實驗。采用荷載控制進(jìn)行加載，加載速率為2.5 kN/s。試件進(jìn)行幾何對中，對中滿足要求后，進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載的加載速率為1.8 kN/s，預(yù)加載的軸力約為試件極限承載力的10%。預(yù)加載結(jié)束后，觀察百分表以及應(yīng)變測量儀上的讀數(shù)趨于穩(wěn)定。若不能，則重新預(yù)加載；若能，則需卸掉預(yù)加載，進(jìn)行正式加載。正式加載為分級單調(diào)加載，以極限荷載的70%為分界點(diǎn)，在70%極限荷載之前，以1/10的極限荷載作為加載級數(shù)；達(dá)到70%極限荷載之后，以1/20的極限荷載作為加載級數(shù)。在達(dá)到實驗荷載預(yù)估值的90%以后，以2 kN/s的速率加載，直至試件破壞。

2　實驗分析

2.1試件破壞形態(tài)

預(yù)加載過程中，構(gòu)件無明顯現(xiàn)象產(chǎn)生，主要為上下墊板與構(gòu)件上下表面的壓實。正式加載之后，試件在加載的最初階段，沒有明顯的實驗現(xiàn)象，一般當(dāng)荷載加載到預(yù)估極限承載力30%左右的時候，能聽到構(gòu)件首次產(chǎn)生響聲，隨著荷載的持續(xù)增加能聽到構(gòu)件陸續(xù)產(chǎn)生了一些稍大的噼啪響聲；當(dāng)荷載加載到極限荷載70%左右的時候，構(gòu)件上下端部混凝土有被壓碎的現(xiàn)象，能看到構(gòu)件上部的混凝土碎渣有掉落現(xiàn)象，GFRP管上出現(xiàn)白紋現(xiàn)象，此時，荷載-應(yīng)變曲線仍可近似看為是直線；當(dāng)荷載加載到80%左右的時候，GFRP管發(fā)出連續(xù)不斷的噼啪響聲，外管上的玻璃纖維向四周嘣散，外管中部膨脹明顯，荷載-應(yīng)變曲線上升變得平緩；隨著荷載接近極限承載力時，GFRP管中下部急速變白，隨后緊隨一聲巨響，GFRP管發(fā)生炸裂，試件達(dá)到極限荷載力。經(jīng)過觀察，構(gòu)件的GFRP管是先從中部附近發(fā)生連續(xù)的斷裂、剝離，然后迅速延伸到上下端部，裂口成斷裂狀，致使構(gòu)件宣布整體破壞。試件的最終破壞形態(tài)如圖4所示。

2.2極限承載力分析

24根GSC組合短柱經(jīng)過軸心受壓實驗后，所得實驗數(shù)據(jù)見表2。其中D為GFRP管的外徑，h為GFRP管的高度，徑向極限位移Symax，軸向極限位移Sxmax，極限荷載Fmax，極限抗壓強(qiáng)度σcmax。

由表2可以看到，A1、A2、A3、A4的極限抗壓強(qiáng)度分別為92.7、86.0、82.2、79.9 MPa，B1、B2、B3、B4的極限抗壓強(qiáng)度分別為94.1、87.8、84.3、82.4 MPa，隨著構(gòu)件尺寸的增大，構(gòu)件的承載能力逐漸降低，證明尺寸效應(yīng)的存在。同時，A1與A2相比抗壓強(qiáng)度降幅為7.8%，A2與A3相比降幅為4.6%，A3與A4相比降幅為2.9%；B1與B2相比抗壓強(qiáng)度降幅為7.2%，B2與B3相比降幅為4.2%，B3與B4相比降幅為2.3%。這進(jìn)一步說明尺寸效應(yīng)對承載能力的影響規(guī)律，即尺寸效應(yīng)對于構(gòu)件極限承載力存在影響，構(gòu)件尺寸增大，極限承載力逐漸減小，且構(gòu)件尺寸較小時，削弱程度較高，尺寸較大時，削弱程度則相對比較低。A、B兩組對比分析，可以看出混凝土強(qiáng)度提高，會使尺寸效應(yīng)減弱。

a　B1　　　　　　　　　b　B2

c　B3　　　　　　　　　d　B4

2.3荷載-應(yīng)變曲線分析

實驗中測得的每種尺寸相同的三根試件的應(yīng)變值，取其平均值，荷載-應(yīng)變對比曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，GSC組合短柱在整個軸心受壓過程中，大致可以劃分為三個階段：彈性階段、彈塑性階段和塑性階段。整個過程中，GFRP管的約束作用逐漸增強(qiáng)。初始階段由于混凝土和型鋼共同承受軸向荷載，GFRP管的約束作用并不明顯，因此徑向應(yīng)變小于軸向應(yīng)變，隨著荷載增大，GFRP管約束作用逐漸顯現(xiàn)，并且越來越強(qiáng)，徑向應(yīng)變快速增長，且構(gòu)件中部的增幅最大。最終徑向應(yīng)變略大于軸向應(yīng)變，GFRP管環(huán)向發(fā)生破壞，構(gòu)件失效。

構(gòu)件的延性也受到尺寸效應(yīng)的影響，隨著構(gòu)件尺寸的增大，最終測得的破壞應(yīng)變值逐漸減小，說明延性減弱。在構(gòu)件尺寸較小時，延性減弱的程度要高于構(gòu)件尺寸較大的情況，但二者相差不大。C30和C40兩種混凝土構(gòu)件間的對比，可以看出混凝土強(qiáng)度對延性方面的尺寸效應(yīng)存在影響，混凝土強(qiáng)度提高，會使尺寸效應(yīng)減弱。

表2　試件參數(shù)及實驗數(shù)據(jù)

a　A組中部

b　B組中部

3　結(jié)　論

對24根GSC組合短柱試件進(jìn)行軸心受壓實驗，通過觀察整個實驗過程中的現(xiàn)象，分析荷載-應(yīng)變曲線，研究尺寸效應(yīng)對于該結(jié)構(gòu)形式極限承載力、延性的影響規(guī)律，得出結(jié)論如下：

(1)GSC組合短柱在整個軸心受壓過程中，可以劃分為彈性、彈塑性和塑性三個階段，并且在整個過程中，GFRP管的約束作用逐漸增強(qiáng)。

(2)構(gòu)件主要由于管中部徑向應(yīng)變過大，發(fā)生撕裂、剝離等現(xiàn)象，導(dǎo)致約束失效而最終使試件破壞。

(3)尺寸效應(yīng)對于構(gòu)件極限承載力存在影響，構(gòu)件尺寸增大，極限承載力逐漸減小，且試件尺寸較小時，削弱程度較高，尺寸較大時，削弱程度則相對比較低。

(4)構(gòu)件的延性也受到尺寸效應(yīng)的影響，隨著試件尺寸的增大，構(gòu)件延性減弱，且在構(gòu)件尺寸較小時，延性減弱的程度要高于構(gòu)件尺寸較大的情況，但二者相差不大。

(5)混凝土強(qiáng)度提高，會使尺寸效應(yīng)減弱。

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(編輯李德根)

Size effect study of GFRP tube-steel-concrete composite column under axial compression

ZHANGYunfeng,WUZiyang,YUANChaoqing

(School of Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

This paper discusses the study on the effect of size effect on the mechanical properties of GSC composite columns. The study does so by providing the axial compression experiment on 24 GSC composite columns, and applying load-strain curve to delve into the law underlying the influence of the size effect on the mechanical properties of GSC composite column under axial compression. Results show that an increase in the size of components is followed by a gradual decrease in the ultimate bearing capacity and ductility; a smaller component size suggests a higher reduction degree while a larger size means a relatively lower reduction; an increase in concrete strength grade provides a reduction in the size effect .This study may provide reference basis for the practical application of GSC composite columns.

GFRP tube-steel-concrete composite column;axial compression;load-strain curve; size effect

2016-02-10

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12543023)

張云峰(1966-)，男，吉林省扶余人，教授，博士，研究方向：混凝土及砌體結(jié)構(gòu)，E-mail：ziyang497001589@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.02.024

TU398.9

2095-7262(2016)02-0230-05

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