碳纖維布部分包裹圓鋼管混凝土短柱軸壓性能試驗(yàn)研究

黃春曉，王 偉，王 穎，潘福婷

(1.建筑結(jié)構(gòu)安徽省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(安徽新華學(xué)院)，安徽 合肥 230088；2.安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.安徽給排水設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230011)

1 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastic/polymer，CFRP)由于其重量輕、抗拉強(qiáng)度高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，可以極大程度地提高構(gòu)件的極限強(qiáng)度和延性，在加固工程中得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。鋼管混凝土柱在高層和高聳建筑中應(yīng)用較多，但是由于外鋼管的局部屈曲和腐蝕問題，會導(dǎo)致構(gòu)件的承載力下降，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的耐久性[3-4]。在鋼管混凝土柱外層包裹CFRP材料，使核心混凝土處于外鋼管和CFRP材料的雙重約束之下，可以提高鋼管混凝土柱的受壓承載力和耐久性[5-6]。

目前，已有學(xué)者對CFRP包裹鋼管混凝土構(gòu)件開展了研究工作。Park等[7]通過試驗(yàn)研究了軸壓荷載作用下CFRP約束鋼管混凝土的受力性能。Yu等[8]研究了CFRP全包裹鋼管混凝土柱在循環(huán)軸壓荷載作用下的受力性能。陶忠等[9]對CFRP全包裹的耐火鋼管混凝土柱和梁的軸壓性能及彎曲性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果均表明，CFRP材料的包裹作用對鋼管混凝土構(gòu)件的承載力有顯著的提高。

以上研究主要針對CFRP全包裹的鋼管混凝土構(gòu)件，對于CFRP部分包裹的鋼管混凝土柱的軸壓性能研究較少。本文對CFRP部分包裹的圓鋼管混凝土短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，分析鋼管強(qiáng)度、CFRP包裹層數(shù)和CFRP包裹間距等參數(shù)對試件軸壓性能的影響。并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出CFRP部分包裹圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力的計(jì)算公式。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了8根CFRP部分包裹的圓鋼管混凝土短柱，試驗(yàn)參數(shù)分別為鋼管強(qiáng)度、CFRP包裹層數(shù)和CFRP包裹間距，如表1所示。鋼管外徑均為140mm，厚度為6mm，高度為450mm。試驗(yàn)中采用的CFRP材料為單向承載力抗拉纖維布，寬度均為50mm。試件示意圖見圖1。

圖1 試件示意圖

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 材料特性

外鋼管選用名義屈服強(qiáng)度為235MPa和345MPa的無縫圓鋼管，其力學(xué)性能見表2。CFRP材料的力學(xué)性能指標(biāo)見表3。核心混凝土選用高性能和高自密實(shí)性的商品混凝土(SCC)，其標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值為31.2N/mm2，彈性模量為30521.3 N/mm2，根據(jù)ACI規(guī)范將其軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值定為0.67fcu。

表2 鋼材特性

表3 CFRP材料特性

2.3 試驗(yàn)裝置和加載制度

試驗(yàn)均在合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。先將一塊50mm厚的鋼板焊接到圓鋼管的底部，再將自密實(shí)混凝土澆注到鋼管中并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。一個(gè)星期養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，將另一個(gè)50mm厚鋼板焊接到圓鋼管混凝土柱的另一端，以確保施加均勻的軸向荷載。試驗(yàn)現(xiàn)場裝置如圖2所示，使用500t液壓萬能試驗(yàn)機(jī)向柱端施加豎向荷載。

圖2 試驗(yàn)加載示意圖

在柱頂、柱底和跨中布置三個(gè)線性位移傳感器，如圖3所示。在鋼管壁和FRP纖維布上應(yīng)力較大和變形較大的部位布置環(huán)向應(yīng)變片，記錄應(yīng)變量，得出應(yīng)力分布，如圖4所示。

圖3 位移計(jì)布置圖

圖4 應(yīng)變片布置圖

正式加載前進(jìn)行預(yù)加載，向柱端施加預(yù)計(jì)極限荷載的10%，保持2分鐘后將荷載增加到60%，保證試件和底座緊密接觸，儀器與裝置正常工作。正式加載為分級加載，每級荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的5%，持載4分鐘測量數(shù)據(jù)，直到試件破壞，繼續(xù)加載至施加軸力下降至極限荷載的80%，試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)表明，由于核心混凝土的填充作用，阻止了外鋼管向內(nèi)屈曲，組合短柱的主要破壞模式為向外屈曲。然而，鋼管向外屈曲的部位主要發(fā)生在未包裹CFRP纖維布的部位，此外，在包裹區(qū)域出現(xiàn)了膠體剝落和CFRP纖維布嚴(yán)重?cái)嗔训默F(xiàn)象。

這些現(xiàn)象表明，CFRP纖維的拉伸性能在組合短柱的軸壓試驗(yàn)中得到了充分利用。試驗(yàn)結(jié)束后，剝除外層CFRP纖維，剖開外鋼管后發(fā)現(xiàn)，核心混凝土表面發(fā)生褶皺鼓曲，并伴有部分壓潰的現(xiàn)象，破壞模式和外鋼管保持一致，如圖5所示。

圖5 CFRP約束鋼管混凝土短柱的失效模式

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6所示為CFRP部分包裹的鋼管混凝土短柱的軸壓荷載-軸向變形(N-δ)曲線。在加載初期，試件處于彈性階段，當(dāng)荷載達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，由于外鋼管的局部屈曲和CFRP纖維布的斷裂，曲線突然下降。

3.2.1 鋼材屈服強(qiáng)度

圖6(a)所示為鋼材屈服強(qiáng)度對組合短柱的軸壓性能的影響。試件AS11的極限承載力比AS12低15.6%，而對初始剛度的影響不大。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼材屈服強(qiáng)度越大，組合短柱的極限承載力越大。

圖6 短柱的軸壓荷載-縱向應(yīng)變(N-δ)曲線

3.2.2 CFRP包裹層數(shù)

圖7(b)所示為CFRP包裹層數(shù)對組合短柱的軸壓性能的影響。相比于未包裹CFRP纖維布的試件AS21，包裹層數(shù)分別為1、3和5層的試件AS22、AS12和AS23的極限承載力分別高6.3%、13.4%和20.6%。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著CFRP纖維布包裹層數(shù)的增加，組合短柱的極限承載力逐漸增大，對初始剛度的影響不大。

圖7 短柱不同截面高度處鋼管的N-δ曲線

3.2.3 CFRP包裹間距

圖6(c)所示為CFRP包裹間距對組合短柱的軸壓性能的影響。相比于未包裹CFRP纖維布的試件AS21，包裹間距分別為0、30、50和100mm的試件AS31、AS32、AS12和AS33的極限承載力分別提高了26.1%、18.7%、13.4%和5.1%。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著包裹間距的增大，組合短柱的極限承載力逐漸減小，對初始剛度的影響不大。

從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，CFRP的約束作用明顯提高了鋼管混凝土短柱的極限承載力，而對初始剛度的影響不大。此外，當(dāng)CFRP碳纖維布突然斷裂的時(shí)候，所有試件的N-δ曲線出現(xiàn)了明顯的下降。所以，軸壓荷載作用下，CFRP約束圓鋼管混凝土短柱的延性比沒有CFRP約束的組合短柱低。

3.3 鋼管荷載-應(yīng)力曲線

采用文獻(xiàn)11給出的鋼管應(yīng)力-應(yīng)變分析方法，得出短柱的軸向荷載和鋼管應(yīng)力的關(guān)系曲線。圖7所示為軸心荷載作用下部分約束鋼管混凝土短柱不同截面高度處鋼管的N-δ曲線，中部CFRP碳纖維布率先斷裂，而兩端基本未發(fā)生斷裂，靠近短柱中部非包裹區(qū)鋼管先屈曲，包裹間距越大，鋼管越易屈曲。結(jié)果表明，鋼管底部和頂部的縱向應(yīng)變基本對稱，隨著荷載的增大，CFRP碳纖維布出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，拉伸應(yīng)變可以達(dá)到極限應(yīng)變，說明CFRP纖維布在組合短柱中充分增強(qiáng)了抗拉性能。

4 組合短柱的極限強(qiáng)度

目前，由于對CFRP部分包裹的鋼管混凝土組合柱的研究較少，本文采用統(tǒng)一理論的方法，提出軸壓荷載作用下CFRP部分包裹的圓鋼管混凝土組合短柱的簡化計(jì)算公式。

4.1 統(tǒng)一理論方法

不同于EC4[10]給出的簡單的疊加方法，Han推薦的統(tǒng)一理論方法將鋼管混凝土構(gòu)件中的鋼管和核心混凝土作為一種組合材料。利用鋼管混凝土柱的整體幾何特性和復(fù)合力學(xué)參數(shù)來計(jì)算軸向抗壓性能。對于軸壓荷載作用下的圓鋼管混凝土短柱，簡化的設(shè)計(jì)方法如下：

N=Ascfscy

(1)

fscy=(1.14+1.02ξ)fck

(2)

其中，N為軸壓荷載作用下鋼管混凝土短柱的軸向抗壓，fscy指試件的統(tǒng)一強(qiáng)度，Asc指鋼管混凝土短柱的截面面積。

4.2 CFRP部分包裹鋼管混凝土短柱簡化經(jīng)驗(yàn)公式

基于軸壓荷載作用下普通的鋼管混凝土短柱的統(tǒng)一理論計(jì)算方法，本文提出了一種軸壓荷載作用下CFRP約束的鋼管混凝土短柱的簡化設(shè)計(jì)方法。該方法是一種考慮了混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、CFRP極限強(qiáng)度和CFRP包裹層數(shù)的簡化模型。

當(dāng)軸壓荷載施加在這種組合短柱的橫截面上時(shí)，核心混凝土和外鋼管會向外擴(kuò)展。與此同時(shí)，CFRP材料在橫向受到的張力提供的約束效應(yīng)開始抵抗橫向擴(kuò)展。因此，在包裹區(qū)域，CFRP材料可以防止鋼管的外擴(kuò)。在CFRP帶到達(dá)極限強(qiáng)度后，會發(fā)生突然的斷裂。根據(jù)CFRP約束鋼管混凝土短柱的試驗(yàn)結(jié)果，簡化計(jì)算方法如下：

Nu,scf=Ascfscf

(3)

fscf=(1.14+1.02ξ+0.265αf-0.046ξf-0.902αf2 -0.024ξf2+0.732αfξf)fck

(4)

ξf=AfrpPf/(Acfck)

(5)

αf=b/(a+b)

(6)

其中，fscf指CFRP約束鋼管混凝土短柱的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度；Pf指CFRP布的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度；Asc和Afrp分別指組合柱和CFRP布的截面面積；ξf指CFRP布給鋼管混凝土柱的約束系數(shù)；αf指沿著組合柱高度方向的包裹比；b是纖維條的寬度，a是CFRP的包裹間距。

將計(jì)算承載力和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，見表4。結(jié)果表明，計(jì)算所得結(jié)果(Nu,c)和試驗(yàn)結(jié)果(Nu,t)吻合良好。

表4 試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果對比表

5 結(jié)論

5.1 CFRP約束圓鋼管混凝土短柱的失效模式主要包括：鋼管壁局部屈曲，CFRP纖維布的斷裂和核心混凝土壓碎。組合短柱的外凸曲主要位于未包裹區(qū)，表明CFRP纖維布的約束可以顯著的防止組合短柱的薄壁鋼管向外凸曲。

5.2 隨著鋼材強(qiáng)度和CFRP包裹層數(shù)的增加，CFRP部分包裹圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載能力逐漸增大，而當(dāng)CFRP包裹間距增大時(shí)，其軸壓承載降低。CFRP參數(shù)的變化對組合短柱軸向剛度的影響不大。試驗(yàn)結(jié)果表明，軸壓荷載作用下與CFRP全包裹的圓鋼管混凝土短柱相比，采用合理的部分包裹辦法也可以得到明顯的增強(qiáng)承載力的效果。CFRP部分包裹的鋼管混凝土短柱的軸壓荷載(N)-縱向壓縮應(yīng)變(δ)曲線從峰值突然下降是由于CFRP碳纖維布的破裂和整體屈曲。隨著CFRP的斷裂，試件N-δ曲線出現(xiàn)突然下降。研究表明，其下降幅度與CFRP體積約束率有關(guān)。

5.3 在統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)上，提出了軸壓荷載作用下CFRP約束圓鋼管混凝土短柱的簡化計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，并通過試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。簡化計(jì)算公式可以為CFRP應(yīng)用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)提供一種有效的設(shè)計(jì)方法。