FRP約束方鋼管混凝土短柱軸壓性能研究

張倚天　肖巖

摘? ?要：通過(guò)對(duì)8個(gè)不同F(xiàn)RP材料（碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維）約束的鋼管混凝土方柱的軸壓試驗(yàn)研究，揭示此類構(gòu)件的受力機(jī)理與破壞形態(tài)，探討不同F(xiàn)RP約束材料對(duì)約束方鋼管混凝土的軸向力學(xué)性能的影響. 試驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維約束試件強(qiáng)度和延性提高最為明顯. FRP材料的約束強(qiáng)度越大，約束鋼管混凝土的軸向承載力越高并且延性越好. 在相同約束強(qiáng)度下，玄武巖纖維約束試件的延性優(yōu)于玻璃纖維約束試件. 針對(duì)FRP約束鋼管混凝土方柱，提出了承載力計(jì)算公式. 與本試驗(yàn)和其他學(xué)者試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示，該公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好.

關(guān)鍵詞：約束鋼管混凝土;承載力; FRP;約束; CCFT;方形截面;軸壓

中圖分類號(hào)： TU398.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on Behaviors of FRP Confined Stub Concrete

Filled Square Steel Tubes under Axial Load

ZHANG Yitian1，XIAO Yan2，3

（1. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. ZJUI Institute，Zhejiang University，Haining 314400，China;

3. Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency（Hunan University） of the Ministry of Education，Changsha 410082，China）

Abstract：Through the axial compression test of eight fiber reinforced polymer（carbon，glass and basalt）confined stub concrete filled square steel tubes（CCFT），this paper reveals the mechanism and the failure model of this kind of composite column. The test results indicate that carbon fiber reinforced CCFT has the highest axial load and best ductility. And the axial load capacity and the ductility increase with the FRP confinement strength. Under the same FRP confinement level， the basalt fiber CCFT has a better ductility than the glass fiber CCFT. A formula for the calculation of bearing capacity of the square CCFT columns is also proposed. The analytically calculated results are shown to be generally in good agreement with the experimental results from this study and other research.

Key words：confined concrete filled tubes;bearing capacity;FRP;confinement;CCFT;square sections;axial compression

鋼管混凝土（CFT）由于其相較于傳統(tǒng)鋼筋混凝土具有更高的強(qiáng)度和更好的延性，因此在高層建筑、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]. 雖然在鋼管內(nèi)填充混凝土可以防止鋼管向內(nèi)屈曲，但是一旦鋼管混凝土達(dá)到其極限承載力，鋼管向外產(chǎn)生局部屈曲將可能導(dǎo)致構(gòu)件力學(xué)性能急劇下降. 雖然采用傳統(tǒng)加固方法可以緩解此類問(wèn)題，但是傳統(tǒng)方法都有施工周期長(zhǎng)或占用空間大等難以克服的缺陷. 近年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固增強(qiáng)中. Xiao等[3]最早提出FRP約束鋼管混凝土組合柱（CCFT）的概念. 其原理是利用FRP材料對(duì)鋼管混凝土柱施加橫向約束，不僅可阻止或延緩鋼管的局部屈曲，而且可提高填充混凝土強(qiáng)度，從兩方面提高鋼管混凝土柱的力學(xué)性能. 為了更好地了解約束鋼管混凝土柱的基本力學(xué)性能，不同的學(xué)者開展了一系列研究，Mao和Xiao[4]采用FRP條帶加固鋼管混凝土柱，試驗(yàn)表明FRP條帶可顯著提高鋼管混凝土的抗震性能. Choi 和 Xiao[5]提出一種理論模型預(yù)測(cè)CCFT軸壓力學(xué)行為，并利用有限元軟件驗(yàn)證了模型的正確性. Tao等[6]進(jìn)行了9個(gè)CCFT短柱試驗(yàn)，并提出一個(gè)簡(jiǎn)化承載力計(jì)算模型. Hu等[7]進(jìn)行了12個(gè)玻璃纖維（GFRP）約束鋼管混凝土軸壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)FRP布對(duì)填充混凝土也存在約束作用. Sundarraja 和Prabhu[8]進(jìn)行了不同間距的FRP條帶約束鋼管混凝土的軸壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)減小FRP 條帶間距，可推遲鋼管的局部屈曲并提高構(gòu)件的極限承載力.

本文介紹了3種不同F(xiàn)RP材料的約束鋼管混凝土方柱軸壓試驗(yàn)，共8個(gè)試件. 討論該類型組合柱的軸向力學(xué)性能，同時(shí)提出約束方鋼管混凝土軸向承載力計(jì)算公式，以期為約束方鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)提供參考.

1? ?試驗(yàn)概況

1.1? ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

已有研究表明，外包FRP布可顯著增強(qiáng)傳統(tǒng)鋼管混凝土柱（CFT）的力學(xué)性能. 目前主要研究仍集中在圓形截面上，對(duì)于方形截面的研究還不充分. 然而鋼管局部屈曲在鋼管混凝土方柱中更為明顯. Park等[9]雖然研究了不同寬厚比的FRP約束方鋼管混凝土的軸壓性能，但是其尺寸相對(duì)較小，且FRP包裹材料與形式單一. 本文設(shè)計(jì)了4組共計(jì)8個(gè)不同F(xiàn)RP材料約束大尺寸的方形截面鋼管混凝土構(gòu)件. 纖維布約束材料分別為：碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）、玄武巖纖維（BFRP）.

FRP材料的約束效應(yīng)系數(shù)為：

式中：Afrp和ffrp分別表示FRP的截面面積與極限強(qiáng)度;Ac和fc′分別表示混凝土的截面面積與抗壓強(qiáng)度.

鋼管高度統(tǒng)一為800 mm，截面尺寸統(tǒng)一為300 mm×300 mm，倒角半徑為15 mm. 其中2個(gè)鋼管混凝土試件，6個(gè)不同F(xiàn)RP材料約束鋼管混凝土試件，具體參數(shù)見(jiàn)表1.

1.2? ?試件制作及材料特性

鋼管混凝土試件中鋼管由2個(gè)厚度為6 mm的C形鋼板焊接而成，鋼管兩端磨平后分別與2塊10 mm厚的端板焊接，其中一端端板留有直徑為150 mm的孔洞用于澆筑混凝土. 混凝土從預(yù)留孔洞澆筑，并用振搗棒使混凝土密實(shí). 澆筑完混凝土后，所有試件在室溫下養(yǎng)護(hù)28 d. 對(duì)于約束鋼管混凝土試件，在粘貼FRP布之前，先清潔鋼管表面并刷一層環(huán)氧樹脂底膠，待底膠完全干透后再采用濕黏法分層粘貼FRP布. 4層FRP布接口位置分別布置在鋼管4個(gè)面，搭接長(zhǎng)度均為100 mm. 最后將包好FRP布的試件在室溫下靜置14 d，再進(jìn)行試驗(yàn).

本次試驗(yàn)采用的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30 MPa. 試驗(yàn)時(shí)，實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體的抗壓強(qiáng)度為33.9 MPa. 實(shí)測(cè)鋼材屈服強(qiáng)度為433 MPa，極限強(qiáng)度為533 MPa，彈性模量為2.03 GPa. 試驗(yàn)采用的FRP布均為單向布，材料特性見(jiàn)表2.

1.3? ?加載及測(cè)量裝置

如圖1所示，本次試驗(yàn)所有試件均在湖南大學(xué)1 000 t軸向試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，加載速率為1 mm/min直至試件失效. 鋼管混凝土的破壞標(biāo)志為試件下降到峰值荷載的80%以下直至荷載穩(wěn)定;FRP約束鋼管混凝土的破壞標(biāo)志為FRP開始大量斷裂直至荷載穩(wěn)定. 在試件中部安裝2個(gè)線性可變位移傳感器（LVDT）以測(cè)量試件的軸向變形.

在鋼管中部各邊均布置一組橫向和縱向應(yīng)變片. 基于應(yīng)變的測(cè)量，在彈性階段進(jìn)行預(yù)加載測(cè)試，直到單個(gè)軸向應(yīng)變與平均應(yīng)變之間的最大差異小于5%再進(jìn)行正式加載. 試驗(yàn)通過(guò)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)記錄所有荷載和位移.

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)后所有試件破壞形態(tài)如圖2所示. 在加載初期，鋼管混凝土試件處于彈性階段，其形態(tài)外觀并無(wú)顯著變化. 隨著荷載增大至約5 000 kN，鋼管混凝土試件進(jìn)入塑性階段，鋼管壁開始出現(xiàn)45°剪切滑移線，但鋼管沒(méi)有觀察到明顯的向外屈曲. 繼續(xù)加載，剪切滑移線逐漸增多，到達(dá)極限荷載后，試件持載能力突然下降，變形突然增大. 鋼管上部以及中部出現(xiàn)環(huán)向局部向外局部屈曲，試件持載能力下降較快，屬于強(qiáng)度破壞.

不同F(xiàn)RP纖維布約束試件的加載過(guò)程和破壞形態(tài)類似. 外包FRP布能限制鋼管的屈曲直到試件達(dá)到極限承載力. 隨后試件持載能力下降，此時(shí)試件開始連續(xù)發(fā)出“噼啪”的聲音，鋼管開始屈曲. 最終隨著鋼管屈曲的加大，F(xiàn)RP布角部被拉斷，試件破壞. 和普通鋼管混凝土試件相比，約束鋼管混凝土由于FRP布的約束導(dǎo)致其環(huán)向屈曲變形更小.

2.2? ?荷載-應(yīng)變曲線

鋼管混凝土和約束鋼管混凝土試件的荷載-應(yīng)變曲線如圖3所示. 在加載初始階段，所有曲線呈線性發(fā)展，試件屬于彈性階段. 大約在極限荷載的80%時(shí)，試件進(jìn)入彈塑性階段，應(yīng)變的增長(zhǎng)速率開始大于極限荷載. 當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，由于FRP的約束作用，約束鋼管混凝土的軸向應(yīng)變更大. 說(shuō)明外包FRP可有效提高鋼管混凝土的變形能力. 隨后，由于約束材料對(duì)核心混凝土不能提供足夠的約束作用，曲線開始進(jìn)入急速下降階段. 無(wú)約束鋼管混凝土承載力急劇下降約40%后進(jìn)入穩(wěn)定階段. 相比之下，約束鋼管混凝土的峰值荷載更高，并且曲線下降段更平緩，其荷載最終穩(wěn)定在峰值載荷的70%.

主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1. 試件的極限狀態(tài)定義為荷載降至峰值荷載的85%時(shí)的狀態(tài). 從表1可看出，鋼管混凝土柱的極限承載能力因FRP約束而增強(qiáng)，相對(duì)于Xiao等[5]的試驗(yàn)中FRP對(duì)圓形截面鋼管混凝土柱的強(qiáng)度提高，外包FRP布對(duì)方形CFT柱的強(qiáng)度提高影響有限.

2.3? ?強(qiáng)度提高系數(shù)

若定義約束鋼管混凝土的強(qiáng)度提高系數(shù)為：

式中：Nccft為約束鋼管混凝土極限承載力;Ncft為鋼管混凝土極限承載力. 計(jì)算所得強(qiáng)度提高系數(shù)見(jiàn)表1. 相對(duì)于鋼管混凝土，CFRP約束鋼管混凝土，GFRP約束鋼管混凝土和BFRP約束鋼管混凝土的承載力分別提高了18%、10% 和9%. 說(shuō)明不同約束強(qiáng)度對(duì)極限承載力的提高效果各不相同. FRP套箍系數(shù)對(duì)強(qiáng)度提高系數(shù)的影響如圖4所示. 套箍系數(shù)越大，約束鋼管混凝土的強(qiáng)度提高系數(shù)越高，兩者近似呈線性關(guān)系.

2.4? ?延性系數(shù)

采用延性系數(shù)[6]來(lái)描述構(gòu)件的塑性變形能力，定義如下：

式中：ε85%為荷載下降到極限荷載的85%時(shí)的軸向應(yīng)變;εy = ε75% /0.75，ε75%為荷載上升到極限荷載的75%時(shí)的軸向應(yīng)變. 不同類型試件的平均延性系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖5所示. 由圖可知，外包FRP布可改善方鋼管混凝土的延性. 約束效應(yīng)系數(shù)最高的CFRP約束構(gòu)件的延性最好.

3? ?承載力計(jì)算模型

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)查，本文收集了總共138個(gè)試件，其中圓形截面為129個(gè)，方形截面為9個(gè). 表3給出了全部試件的來(lái)源信息.

對(duì)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何和材料力學(xué)性能分類，結(jié)果如圖6所示. 從圖中可知，混凝土強(qiáng)度從31 MPa到52 MPa;鋼材強(qiáng)度從226 MPa到365 MPa;徑厚比從18到135. 現(xiàn)有數(shù)據(jù)多集中在常用范圍，隨著工程材料不斷發(fā)展，高強(qiáng)度混凝土與高強(qiáng)鋼材應(yīng)用越來(lái)越多. 這方面的研究有待深入.

定義約束鋼管混凝土的套箍系數(shù)為：

式中：Afrp和ffrp分別表示FRP的截面面積與極限強(qiáng)度;Ac和 fc′分別表示混凝土的截面面積與抗壓強(qiáng)度.? As和fy分別表示鋼管的截面面積與屈服強(qiáng)度.

鋼管混凝土柱的材料疊加強(qiáng)度等于鋼管和核心混凝土承載力之和，具體表達(dá)式如下：

式中：As和Ac分別是鋼管和填充混凝土的截面面積;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度;fc為填充混凝土抗壓強(qiáng)度.

圖7表示不同套箍系數(shù)（式（4））下，約束鋼管混凝土承載力試驗(yàn)值與鋼管和混凝土材料疊加強(qiáng)度的關(guān)系. 如圖所示，約束鋼管混凝土能發(fā)揮不同材料之間的組合作用. 套箍系數(shù)越大，強(qiáng)度提高越多.

假設(shè)FRP布不承擔(dān)任何豎向荷載，當(dāng)約束鋼管混凝土受壓時(shí)，內(nèi)部混凝土向外擴(kuò)張，此時(shí)FRP和鋼管開始出現(xiàn)環(huán)向變形，核心混凝土受到了FRP材料以及鋼管的雙重約束. 約束應(yīng)力按式（6）計(jì)算.

式中： b為柱截面寬度;ffrp為FRP的抗拉強(qiáng)度;tfrp為FRP布的名義厚度;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度;ts為鋼管厚度.

對(duì)于FRP約束混凝土方柱，Youssef等[17]提出按照式（7）計(jì)算其極限承載力：

式中：fcc和fc′分別表示約束混凝土強(qiáng)度和混凝土圓柱體強(qiáng)度;fl表示約束應(yīng)力.

根據(jù)式（6）和（7），可以得出約束鋼管混凝土方柱的軸向承載力計(jì)算公式：

式（8）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表4，需要指出的是，文獻(xiàn)[9]中R4N試件的試驗(yàn)值明顯小于其材料強(qiáng)度疊加值（14 80 kN），試驗(yàn)誤差過(guò)大，導(dǎo)致該系列計(jì)算值與試驗(yàn)值的比對(duì)誤差超過(guò)30%. 剔除該系列數(shù)據(jù)后，計(jì)算承載力（Ncal）與試驗(yàn)承載力（Np）的比值的均值（AVE）為1.06，變異系數(shù)（COV）為0.04. 可見(jiàn)該式與試驗(yàn)值吻合良好.

4? ?結(jié)? ?論

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了不同F(xiàn)RP材料約束方鋼管混凝土短柱的軸壓性能. 在本文的研究范圍內(nèi)，可得出以下結(jié)論：

1）FRP約束鋼管混凝土方柱的破壞模式為角部FRP布斷裂. 外包FRP布可提高鋼管混凝土短柱的極限承載力，并且可提高峰值應(yīng)變.

2）在本文的試驗(yàn)范圍內(nèi)，約束鋼管混凝土柱的承載能力隨著約束強(qiáng)度的增加而增加. 即使改變FRP材料類型，這種趨勢(shì)仍然是相同的.

3）外包FRP能改善方鋼管混凝土的延性. 在相同約束強(qiáng)度下，BFRP由于有更高的極限應(yīng)變，使得BFRP約束試件的延性優(yōu)于GFRP約束試件.

4）基于試驗(yàn)結(jié)果，本文提出了針對(duì)FPR約束混凝土方柱極限承載力計(jì)算公式，通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，表明計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.

參考文獻(xiàn)

[1]? ? HAN L H，YAO G H，ZHAO X L. Tests and calculations for hollow structural steel （HSS） stub columns filled with self-consolidating concrete （SCC）[J]. Journal of Constructional Steel Research，2005，61（9）：1241—1269.

[2]? ? 劉勁，丁發(fā)興，龔永智，等. 圓鋼管混凝土短柱局壓力學(xué)性能研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，42 （11）：33—40.

LIU J，DING F X，GONG Y Z，et al. Mechanical behavior of concrete-filled steel tubes stub columns with circular section under local compression[J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2015，42 （11）：33—40. （In Chinese）

[3]? ?XIAO Y，HE W H，CHOI K K. Confined concrete-filled tubular columns[J]. Journal of Structural Engineering，2005，131 （3）：488—497.

[4]? ?MAO X Y，XIAO Y. Seismic behavior of confined square CFT columns[J]. Engineering Structures，2006，28（10）：1378—1386.

[5]? ? CHOI K K，XIAO Y. Analytical studies of concrete-Filled circular steel tubes under axial compression[J]. Journal of Structural Engineering，2010，136 （5）：565—573.

[6]? ? TAO Z，HAN L H，ZHUANG J P. Axial loading behavior of CFRP strengthened concrete-filled steel tubular stub columns[J]. Advances in Structural Engineering，2007，10（1）：37—46.

[7]? ? HU Y M，YU T，TENG J G. FRP-confined circular concrete-filled thin steel tubes under axial compression[J]. Journal of Composites for Construction，2010，15（5）：850—860.

[8]? ? SUNDARRAJA M C，PRABHU G G. Experimental study on CFST members strengthened by CFRP composites under compression[J]. Journal of Constructional Steel Research，2012，72：75—83.

[9]? ? PARK J W，HONG Y K，CHOI S M. Behaviors of concrete filled square steel tubes confined by carbon fiber sheets （CFS） under compression and cyclic loads[J]. Steel and Composite Structures，2010，10 （2）：187—205.

[10]? LU Y，LI N，LI S. Behavior of FRP-confined concrete-filled steel tube columns[J]. Polymers，2014，6（5）：1333—1349.

[11]? 顧威，關(guān)崇偉，趙穎華，等. 圓CFRP鋼復(fù)合管混凝土軸壓短柱試驗(yàn)研究[J]. 沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，20（2）：118—120.

GU W，GUAN C W，ZHAO Y H，et al. Experimental study on concentrically-compressed circular concrete filled CFRP-steel composite tubular short columns[J]. Journal of Shenyang Architectural and Civil Engineering Institute，2004，20（2）：118—120.（In Chinese）

[12]? LIU J，XU T，WANG Y，et al. Axial behaviour of circular steel tubed concrete stub columns confined by CFRP materials[J]. Construction and Building Materials，2018，168：221—231.

[13]? DING F X，LU D R，BAI Y，et al. Behaviour of CFRP-confined concrete-filled circular steel tube stub columns under axial loading[J]. Thin-Walled Structures，2018，125：107—118.

[14]? CHE Y，WANG Q L，SHAO Y B. Compressive performances of the concrete filled circular CFRP-steel tube （C-CFRP-CFST）[J]. Advanced Steel Construction，2012，8 （4）：331—358.

[15]? WEI Y，WU G，LI G. Performance of circular concrete-filled fiber-reinforced polymer-steel composite tube columns under axial compression[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites，2014，33 （20）：1911—1928.

[16]? PARK J W，HONG Y K，HONG G S，et al. Design formulas of concrete filled circular steel tubes reinforced by carbon fiber reinforced plastic sheets[J]. Procedia Engineering，2011，14：2916—2922.

[17]? YOUSSEF M N，F(xiàn)ENG M Q，MOSALLAM A S. Stress-strain model for concrete confined by FRP composites[J]. Composites Part B-Engineering，2007，38（5/6）：614—628.