FRP-混凝土-鋼新型組合柱的研究進(jìn)展

盛 黎

(浙江樹人大學(xué)城建學(xué)院,浙江 杭州 310015)

FRP-混凝土-鋼新型組合柱的研究進(jìn)展

盛 黎

(浙江樹人大學(xué)城建學(xué)院,浙江 杭州 310015)

FRP作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)、抗腐蝕和耐疲勞的新型結(jié)構(gòu)材料,在混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)加固中得到廣泛應(yīng)用。近年來,國內(nèi)外學(xué)者為了更好地發(fā)揮傳統(tǒng)材料的優(yōu)點(diǎn),將FRP與混凝土和鋼材進(jìn)行組合,提出了FRP約束鋼管混凝土柱、FRP約束鋼骨混凝土柱和FRP-混凝土-鋼混合雙管柱等多種新型組合柱。在此，圍繞這三類新型組合柱的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹,為FRP-混凝土-鋼組合柱在工程領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

FRP約束鋼管混凝土；FRP約束鋼骨混凝土；FRP-混凝土-鋼混合雙管；組合柱

FRP(Fiber Reinforeed Polymer/Plastic,纖維增強(qiáng)復(fù)合型料)作為一種在土木工程中被廣泛應(yīng)用的新型結(jié)構(gòu)材料,具有耐腐蝕、抗疲勞、比強(qiáng)度和彈性模量高等諸多優(yōu)點(diǎn),通過FRP與混凝土和鋼材的組合,能充分發(fā)揮三種材料各自的優(yōu)點(diǎn),形成新型組合構(gòu)件。由于柱是結(jié)構(gòu)體系中的主要受力構(gòu)件,因此大量的研究工作都圍繞新型組合柱展開,主要包括以下三種：1)FRP約束鋼管混凝土柱(圖1a);2)FRP 約束鋼骨混凝土柱(圖1b)；3) FRP-混凝土-鋼混合雙管柱(圖1c)。本文將對這3種新型組合柱的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,以便為FRP-混凝土-鋼組合柱的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

圖1 FRP新型組合柱

1 FRP約束鋼管混凝土柱的研究現(xiàn)狀

2003年,Xiao等[1]人率先嘗試使用CFRP(Carbon fiber reinforcecl polymer/plastic,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)在容易出現(xiàn)塑性鉸的部位附加橫向約束以控制鋼管的局部屈曲和更有效地約束混凝土。2005年,Xiao[2]對FRP約束混凝土柱作了分類闡述,特別強(qiáng)調(diào)采用FRP約束鋼管混凝土柱這類新型組合柱形式,有利于發(fā)揮FRP和鋼管對混凝土雙重約束的優(yōu)勢。

1.1 FRP約束鋼管混凝土柱的軸壓性能研究

2005年,陶忠等[3-4]試驗(yàn)研究了CFRP布約束鋼管混凝土柱的軸壓性能,結(jié)果表明CFRP約束鋼管混凝土柱不但能同時(shí)發(fā)揮CFRP和鋼管對混凝土的雙重約束作用,而且能提高試件的承載力和延性；同時(shí)還比較了鋼管截面形狀對CFRP約束效果的影響,在充分考慮CFRP和鋼管對混凝土的雙重約束效應(yīng)后,推導(dǎo)得到CFRP約束鋼管混凝土柱極限軸壓承載力簡化公式,計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好。2006年,Teng等[5]對FRP約束徑厚比為60的鋼管混凝土柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn),結(jié)果表明在FRP約束下既能有效控制鋼管的局部失穩(wěn),又能顯著增強(qiáng)柱子的軸壓強(qiáng)度,并基于試驗(yàn)結(jié)果給出了此類柱抗壓強(qiáng)度的理論計(jì)算模型。在文獻(xiàn)[6]中Teng等人進(jìn)一步研究徑厚比為100的FRP約束鋼管混凝土柱軸壓性能,發(fā)現(xiàn)鋼管的局部失穩(wěn)現(xiàn)象被推遲,抗壓強(qiáng)度明顯提高。Teng等[7]采用FRP約束混凝土柱應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析法[8],考慮由鋼管和FRP共同提供側(cè)向約束應(yīng)力,以及側(cè)向應(yīng)變的影響,推導(dǎo)出了包括主動(dòng)約束模型、側(cè)向應(yīng)變方程和總約束應(yīng)力三個(gè)部分的應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算模型。M.C. Sundarraja等[9]研究了CFRP包裹層數(shù)對鋼管混凝土柱性能的影響,結(jié)果表明包裹3層CFRP布的鋼管混凝土柱的抗壓強(qiáng)度和延性遠(yuǎn)高于包裹1層和2層CFRP布的鋼管混凝土柱,而且CFRP布的間距不宜過大,否則容易引起未被CFRP包裹的鋼管區(qū)域發(fā)生側(cè)向屈曲,從而導(dǎo)致承載能力未明顯提高。

王慶利[10]等早在2003年提出采用CFRP-鋼復(fù)合管約束混凝土柱的設(shè)想(圖2),旨在彌補(bǔ)CFRP管塑性差、鋼管易腐蝕的劣勢,同時(shí)節(jié)省用鋼量并減輕自重。隨后,王慶利、顧威[11-12]等人的研究表明在CFRP-鋼復(fù)合管的約束下,CFRP-鋼復(fù)合管約束混凝土短柱的軸壓承載力較鋼管混凝土柱明顯提高,并且隨著CFRP筒約束指標(biāo)的提高而線性增長。王慶利[13]對圓CFRP-鋼管約束混凝土中、長柱的研究表明,長細(xì)比小的柱子發(fā)生強(qiáng)度破壞, 長細(xì)比大的柱子會(huì)發(fā)生穩(wěn)定破壞,并將試件的荷載-撓度曲線分成彈性段、彈塑性段和軟化段三個(gè)階段,應(yīng)用纖維模型法模擬了圓CFRP-鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的荷載-中截面撓度曲線,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)結(jié)果,2006年,顧威[14]采用極限平衡法推導(dǎo)出軸壓短柱在鋼管屈服和碳纖維斷裂兩種極限狀態(tài)下構(gòu)件承載力的計(jì)算公式。2007年,于峰[15]等人研究認(rèn)為FRP約束鋼管混凝土柱的承載力主要取決于非約束混凝土強(qiáng)度以及鋼管厚度,并根據(jù)彈性理論方法, 采用等效換算截面,以FRP對鋼管混凝土柱的約束效應(yīng)系數(shù)ξf為參數(shù)提出了FRP約束鋼管混凝土柱承載力計(jì)算公式。同年,張常光[16]等采用雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論,對CFRP-鋼管混凝土柱軸壓短柱進(jìn)行承載力研究,分析了核心混凝土內(nèi)摩擦角、中間主應(yīng)力、鋼管厚徑比和CFRP粘貼層數(shù)對極限承載力的影響,提出了CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力公式。2007年,王慶利[17]等人根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果[12],進(jìn)一步分析了CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱的受力全過程,將本構(gòu)關(guān)系劃分為三個(gè)階段：彈性階段、彈塑性階段和下降階段,對應(yīng)每個(gè)階段,采用試驗(yàn)回歸,對已有的圓鋼管約束混凝土在軸壓力作用下的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行修正, 得出簡化表達(dá)式。隨后，為了深入了解圓CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱的靜力性能,文獻(xiàn)[18]根據(jù)以上軸力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,采用纖維模型法模擬圓CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱的荷載-變形關(guān)系,分析了鋼管約束效應(yīng)系數(shù)和CFRP筒約束效應(yīng)系數(shù)對圓CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱力學(xué)性能的影響,計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好且偏于安全,同時(shí)將荷載—變形關(guān)系曲線進(jìn)一步細(xì)分為四階段：彈性階段,彈塑性階段,塑性增強(qiáng)階段和軟化階段。

圖2 CFRP-鋼復(fù)合管約束混凝土柱

2007年,李國強(qiáng)[19]提出新型帶鏤空格子的鋼管外包FRP布內(nèi)填混凝土柱的設(shè)想,通過軸壓試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)新型混合柱具有鋼管混凝土柱和FRP約束混凝土柱共同的優(yōu)點(diǎn),具有高強(qiáng)度、延性大、費(fèi)用低、抗腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn),軸向鏤空的強(qiáng)度較高,螺旋形鏤空的延性更好。

1.2FRP約束鋼管混凝土柱偏壓性能研究

2007年,王慶利[20]等人以文獻(xiàn)[21]的靜力試驗(yàn)為基礎(chǔ),對圓CFRP-鋼管偏壓作用下靜力性能展開理論分析,其結(jié)論是從加載之初直到最大承載力,沿截面高度的鋼管縱向應(yīng)變分布符合平截面假定,在其他參數(shù)相同的情況下,側(cè)向撓度隨著偏心距或構(gòu)件長度的增大而增大,在其他條件相同的情況下,同一載荷下的縱向應(yīng)變隨著偏心距或試件長度的增大而增大,但達(dá)到屈服載荷時(shí)的縱向應(yīng)變值卻十分接近。偏壓試驗(yàn)表明CFRP-鋼管混凝土偏壓柱相對于鋼管混凝土偏壓柱的極限承載力有一定提高,且在彈性階段彈性模量略有增加,CFRP-鋼管混凝土偏壓柱的延性好于FRP筒內(nèi)填混凝土偏壓柱。

2 FRP管約束型鋼混凝土柱的研究現(xiàn)狀

2009年,王連廣等[22-23]提出在GFRP管內(nèi)設(shè)置型鋼,然后澆筑高強(qiáng)混凝土形成新型組合柱。這類組合柱一方面由于內(nèi)部鋼骨受到周圍混凝土約束,能有效避免鋼骨局部屈曲的發(fā)生,提高組合柱的抗剪和抗震性能；另一方面由于混凝土能阻止GFRP(玻璃鋼)或(玻璃纖維復(fù)合材料)管這類薄壁構(gòu)件發(fā)生局部屈曲,特別是在GFRP管的約束下,在外荷載作用時(shí),核心混凝土的橫向變形受到限制,處于三向受力狀態(tài),組合柱的抗壓強(qiáng)度和抗震性能均得到提高。

2.1 軸壓性能研究

王連廣等[22-23]通過對GFRP管鋼骨高強(qiáng)混凝土組合柱的軸壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)組合柱承載力隨著GFRP管壁纖維纏繞角度減小和GFRP管壁厚度增加而增加,而且在荷載作用初期,GFRP管壁厚度對混凝土的約束作用均不明顯,當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的70%以后,管壁較厚的GFRP管對混凝土的緊箍力相對較強(qiáng)。王連廣等[22-23]分別采用簡單疊加法和統(tǒng)一理論兩種計(jì)算方法, 建立組合柱軸心受壓承載力計(jì)算公式,并通過理論分析得出結(jié)論：隨著含骨率的增加,組合柱的承載能力和延性均增強(qiáng)。

2011年,KianKarimi等[24]研究了FRP布約束H型鋼混凝土柱的軸壓性能,提出了該類組合柱的簡化分析模型,并認(rèn)為FRP布層數(shù)越多圓角半徑越大,組合柱的強(qiáng)度和延性均有明顯提高。隨后KianKarimi等[25]進(jìn)一步研究不同長細(xì)比的FRP約束型鋼混凝土柱軸壓性能變化規(guī)律,結(jié)果表明短柱(長細(xì)比小于0.2)FRP的約束效果最好,隨著長細(xì)比增大,FRP約束效應(yīng)越來越弱,長柱(長細(xì)比為0.9)的承載能力、極限應(yīng)變和內(nèi)核混凝土抗壓強(qiáng)度僅為短柱的59%、14%和51%。KianKarimi等[26]繼續(xù)研究了FRP管類型和摻入減縮劑對組合柱軸壓性能的影響,結(jié)果表明采用側(cè)向抗拉強(qiáng)度更高、破壞應(yīng)變更小的FRP管抗拉強(qiáng)度和極限軸向應(yīng)變分別提高約25%和20%,摻入減縮劑能使抗壓強(qiáng)度提高20%,軸向剛度提高22%,極限應(yīng)變提高24%。KianKarimi等[27]通過進(jìn)一步分析文獻(xiàn)[25]的試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為隨著柱子直徑與FRP管厚度的比值、FRP管軸向剛度和型鋼與混凝土面積比的增大,組合柱的承載能力提高,隨著FRP管軸向剛度的提高,組合柱的長細(xì)比允許值也明顯增大。

2013年馮鵬[28]首次提出在FRP管內(nèi)放置十字交叉型鋼,并在型鋼與FRP管空隙中填充砂漿(圖3)。通過對18個(gè)試樣的軸壓試驗(yàn),得出結(jié)論是柱子的承載能力提高44%～215%,延性提高了877%,并研究了十字交叉型鋼、長細(xì)比和外覆FRP層數(shù)對其產(chǎn)生的影響,推導(dǎo)出了應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和分段破壞模型。

圖3 FRP管約束十字交叉鋼骨砂漿柱

2.2 偏壓性能研究

2009年,王連廣等[29-30]通過8根GFRP管鋼骨高強(qiáng)混凝土組合柱偏心受壓試驗(yàn),表明組合柱承載力隨著GFRP管壁纖維纏繞角度減小和管壁厚度增加而提高,隨著長細(xì)比增大、偏心距增加而降低。通過試驗(yàn)研究與理論分析,建立了GFRP管鋼骨高強(qiáng)混凝土偏心受壓組合柱承載力計(jì)算公式,理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。采用纖維模型法編制了非線性分析程序,分析認(rèn)為構(gòu)件的承載力隨著混凝土強(qiáng)度、配骨率的增加而增大,隨著偏心率的增加而降低,且變化幅度相對明顯。

3 FRP-混凝土-鋼混合雙管柱的研究現(xiàn)狀

Teng等[31-32]于2003—2004年提出了內(nèi)部鋼管,外部FRP管,中間填充混凝土的新型組合柱,被稱為FRP-混凝土-鋼雙壁空心管柱。外部FRP管主要用來約束混凝土和提高抗剪能力,當(dāng)有需要時(shí),中間中空部分也可填充混凝土,這類新型組合柱綜合了FRP、混凝土和鋼材三種材料的優(yōu)勢,具有自重輕、耐腐蝕性好、延性好、無須進(jìn)行防火防護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 軸壓性能研究

Teng等[33]對6根FRP管-混凝土-鋼管雙管短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)纏繞1層FRP布的雙管柱軸壓強(qiáng)度未明顯提高,纏繞2層和3層FRP布的雙管柱軸壓承載力分別提高了27%和48%。余濤等[34-35]提出了一個(gè)能準(zhǔn)確模擬各類約束混凝土的三維彈塑性-損傷本構(gòu)模型,在此模型基礎(chǔ)上,余濤等[36]研究了FRP管硬度、鋼管硬度、管內(nèi)空間大小等對該新型組合柱性能的影響,并對照試驗(yàn)結(jié)果,提出了該組合柱在軸壓作用下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的計(jì)算模型。2008年,錢稼茹等[37]對雙管柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)試件呈現(xiàn)三種破壞形態(tài)：1)FRP管纖維拉斷,鋼管未破壞；2)FRP管纖維拉斷,同時(shí)鋼管壓曲破壞;3)整體壓曲破壞。并針對這三種不同破壞類型,充分考慮了空心率、內(nèi)層鋼管徑厚比、外層FRP管約束程度和加載方式的影響,推導(dǎo)出了應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算模型,計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果擬合良好。王娟[38]等應(yīng)用薄壁圓筒的雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論極限解,考慮材料中間主應(yīng)力的影響和內(nèi)圓鋼管的薄壁效應(yīng),提出了FRP管-混凝土-鋼管雙管短柱軸壓承載力計(jì)算公式,應(yīng)用ANSYS軟件建立了組合柱在軸心壓力作用下的非線性有限元計(jì)算模型,得到了各構(gòu)件極限承載力及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全過程曲線,并將有限元結(jié)果與理論公式計(jì)算結(jié)果、文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證,擬合良好；在此基礎(chǔ)上討論了荷載對構(gòu)件縱向應(yīng)力分布的影響以及鋼管厚徑、混凝土強(qiáng)度等對構(gòu)件承載力的影響規(guī)律。2008年,Wong[39]等發(fā)現(xiàn)FRP管-混凝土-鋼管雙管柱雖然內(nèi)部空心削弱了外部FRP的約束作用,但這種損失的約束作用完全可以由內(nèi)部鋼管來補(bǔ)償,該組合構(gòu)件中FRP對混凝土的約束效率與FRP約束實(shí)心混凝土柱基本相同,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線也非常接近,此外該類雙管柱的受壓性能與空心率、鋼管徑厚比以及FRP管厚度有關(guān)。胡波和王建國[40]在平面應(yīng)變條件下對FRP-混凝土-鋼混合雙管柱進(jìn)行力學(xué)分析,考慮了混凝土和鋼管的彈塑性,提出了雙管約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系理論模型。

2006年,錢稼茹[41]等對3個(gè)FRP-混凝土-鋼雙壁空心管長柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn),結(jié)果表明受壓側(cè)FRP出現(xiàn)剪切裂縫,受拉側(cè)無肉眼可見的裂縫,內(nèi)鋼管彎曲,試件失穩(wěn)破壞,隨著長細(xì)比增大,柱的承載力和變形能力下降,并提出了考慮長細(xì)比影響的雙壁空心管長柱的軸心受壓承載力計(jì)算式,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

3.2 偏壓性能研究

余濤等[42]通過試驗(yàn)研究了該組合構(gòu)件在偏壓下的性能,研究結(jié)果表明在該空心構(gòu)件中,FRP管對混凝土的約束作用與截面受力狀態(tài)有關(guān),其中軸壓最大、純彎最小而偏壓居中。基于此，余濤等[42]提出了一個(gè)能夠適用于軸壓、偏壓、純彎的統(tǒng)一混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,以用于該新型空心構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

3.3 往復(fù)荷載下組合柱的性能研究

2012年,余濤等[43]試驗(yàn)研究了FRP-混凝土-鋼混合雙管柱在往復(fù)荷載作用下的軸壓性能,試驗(yàn)表明,該雙管柱在往復(fù)荷載下表現(xiàn)出了較好的延性,而且其軸向應(yīng)力-應(yīng)變包絡(luò)線與單調(diào)荷載作用下雙管柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本一致。然后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與單調(diào)荷載作用下雙管柱應(yīng)力-應(yīng)變模型和循環(huán)荷載下FRP約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變模型進(jìn)行擬合,經(jīng)過比較后發(fā)現(xiàn)，將兩類模型結(jié)合起來能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測試驗(yàn)值。

錢稼茹和劉明學(xué)[44]通過9根FRP-混凝土-鋼雙壁空心管柱試件和4根混凝土-鋼空心管柱對比試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),研究了FRP-混凝土-鋼雙壁空心管柱的抗震性能。結(jié)果表明,由于FRP的約束作用,雙壁空心管柱試件的承載能力大于混凝土-鋼空心管柱試件,變形能力和耗能能力也明顯大于對比試件。

4 結(jié) 語

FRP-混凝土-鋼新型組合柱的研究是一個(gè)較新的研究課題,仍需積累大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),為提出通用性的理論模型奠定基礎(chǔ)。對軸壓、偏壓和水平往復(fù)荷載作用下的構(gòu)件破壞機(jī)理及參數(shù)分析都需要進(jìn)一步開展研究,特別是針對實(shí)際工程中柱子在組合荷載作用下的力學(xué)性能和工程性能也有待開展和深入。

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Research Progress of the New Composite Column of the FRP-Concrete-Steel

SHENGLi

2016-10-14

盛 黎(1978—),女,浙江嘉興人,副教授,從事高性能材料方面研究。

TU323.1

A

1008-3707(2017)02-0007-05