FRP 約束鋼管混凝土柱的研究現(xiàn)狀綜述

鄭育文 謝志紅 甘思斌 黎佳和 韋嘉偉

（廣州航海學(xué)院航務(wù)工程學(xué)院）

0 引言

鋼管混凝土柱（簡(jiǎn)稱CFST）是指在鋼管中填充混凝土形成鋼管和混凝土共同承受外荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件[1]。自1879 年最先用于Severn 鐵路橋的橋墩，又于1897 年被John Lally 提出用于建筑房屋的承重柱，鋼管混凝土以其承載力高、延性好、抗震性能優(yōu)異、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨度、超高層發(fā)展的需要，被迅速開(kāi)發(fā)研究并廣泛應(yīng)用于高層建筑、工業(yè)廠房和橋梁等重要建筑結(jié)構(gòu)工程。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)自20 世紀(jì)80 年代至今已有較多的高層及超高層建筑和橋梁采用鋼管混凝土柱作為承重柱[2]。

然而，鋼管與混凝土材料泊松比不一致造成鋼管在混凝土裂縫未完全開(kāi)展階段中提供的環(huán)向約束作用較小、薄壁鋼管易發(fā)生局部屈曲導(dǎo)致承載力下降過(guò)快等問(wèn)題使得鋼管混凝土柱力學(xué)性能仍然存在提升空間[3]。此外，鋼管混凝土在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中，面臨由于地震、火災(zāi)、碰撞、腐蝕等不利外界因素或自身結(jié)構(gòu)使用功能改變導(dǎo)致承載力不足的問(wèn)題[4-6]。以上問(wèn)題可通過(guò)對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行約束/加固解決。

過(guò)往研究表明，使用外部約束修復(fù)或加固混凝土結(jié)構(gòu)可以有效地恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和延性[7]。近年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱FRP）逐漸被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固中，F(xiàn)RP 包裹加固混凝土柱技術(shù)是目前FRP 材料在土木工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為普遍的技術(shù)之一。與外加鋼筋混凝土套、外加鋼構(gòu)套、外加鋼板等傳統(tǒng)加固方法相比，F(xiàn)RP 具有優(yōu)于建筑鋼材的輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)異材料性能[8]，同時(shí)加固過(guò)程中不需要大型的機(jī)械設(shè)備，施工便捷快速，加固之后基本不需要后期維護(hù)，結(jié)構(gòu)的正常功能使用基本不受影響。本文基于將FRP 應(yīng)用于鋼管混凝土柱以改善其存在的力學(xué)性能問(wèn)題和加固需求，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外FRP 約束鋼管混凝土柱的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

1 鋼管混凝土柱

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼管混凝土柱的研究已達(dá)相當(dāng)規(guī)模，并建立了鋼管混凝土柱的數(shù)據(jù)庫(kù)[9]，用來(lái)分析鋼管混凝土柱的性能。

韓林海等[1]對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，研究結(jié)果表明：①鋼管混凝土短柱（長(zhǎng)徑比L/D≤4）具有良好的承載能力和變形能力，圓形短柱在不同約束效應(yīng)指標(biāo)（衡量鋼管和混凝土的相互作用）下主要表現(xiàn)為腰鼓狀破壞和剪切型破壞，方形短柱則更多表現(xiàn)為局部屈曲破壞；②鋼管混凝土的軸向載荷-應(yīng)變曲線在低約束下表現(xiàn)出應(yīng)變軟化行為，在強(qiáng)約束下表現(xiàn)出應(yīng)變硬化行為。此外，其他國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼管截面形狀、強(qiáng)度、徑厚比和混凝土的類型、強(qiáng)度等變量先后對(duì)鋼管混凝土柱的軸壓性能進(jìn)行了研究，值得注意的是部分研究表明鋼管混凝土存在鋼材、混凝土泊松比不同造成初始階段鋼管環(huán)向約束作用相對(duì)較低、薄壁鋼管易發(fā)生局部屈曲導(dǎo)致承載力下降過(guò)快等問(wèn)題。

韓林海[4-5]、王慶利[6]等先后對(duì)鋼管混凝土在經(jīng)受火災(zāi)、長(zhǎng)期荷載、腐蝕等不利因素的作用后的軸壓性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明鋼管混凝土柱的承載力和剛度均有一定程度的削弱。Wang 等[10]通過(guò)側(cè)面沖擊具有軸向載荷的CFST 構(gòu)件的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)試件的負(fù)載持續(xù)時(shí)間明顯減少。

從上述文獻(xiàn)中的結(jié)果可以總結(jié)得出：鋼管混凝土柱具有承載力高、延性好、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)越的力學(xué)性能，但由于存在初始階段鋼管環(huán)向約束作用較低、鋼管易發(fā)生局部屈曲等需要進(jìn)一步改善的力學(xué)性能問(wèn)題，且外界和時(shí)間等不利因素對(duì)力學(xué)性能發(fā)生削弱的鋼管混凝土加固或修復(fù)也需要進(jìn)一步考慮。

2 FRP 約束鋼管混凝土柱

針對(duì)鋼管混凝土存在的力學(xué)性能問(wèn)題和需加固問(wèn)題，可采用外部約束對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行改善，采用FRP 進(jìn)行約束就是其中一種較為有效并且便捷的形式。

Xiao 等[11-12]最先提出將FRP 應(yīng)用于鋼管混凝土柱的概念，并將其命名為約束鋼管混凝土柱（簡(jiǎn)稱CCFT）。通過(guò)CFRP 全約束鋼管混凝土柱的單調(diào)軸壓加載試驗(yàn)[11]和CFRP 局部約束鋼管混凝土柱潛在塑性鉸區(qū)域（柱端）的側(cè)向往復(fù)加載試驗(yàn)[12]，發(fā)現(xiàn)CCFT 具有更顯著的軸向載荷能力和變形能力，鋼管向外的局部屈曲因?yàn)橥獠縁RP 的作用受到了良好的抑制和延緩。

在Xiao 的初步研究后，Tao 等[13]和王慶利等[14]先后通過(guò)試驗(yàn)對(duì)CFRP 約束鋼管混凝土柱短柱的截面形狀、FRP 層數(shù)等進(jìn)行了研究，結(jié)果可歸納為：①FRP 能較好的與鋼管協(xié)同工作，限制鋼管和混凝土的橫向變形，并且FRP 對(duì)方柱的約束效果要明顯比圓柱差；②兩種截面形狀的約束鋼管混凝土短柱均發(fā)生強(qiáng)度破壞，但FRP最終斷裂位置有所區(qū)別，圓柱的CFRP 沿中高部圓周隨機(jī)斷裂，而方柱的CFRP 主要在角部斷裂；③所有約束鋼管混凝土柱的荷載-撓度曲線分為彈性段、彈塑性和下降段三個(gè)階段；④FRP 的層數(shù)對(duì)約束鋼管混凝土柱承載力的提升效果明顯，但延性隨FRP 層數(shù)的增多反而可能降低（過(guò)大的FRP 約束使得FRP 容易受到鋼管屈曲的影響出現(xiàn)提前破壞）。張倚天等[15]發(fā)現(xiàn)在提高約束鋼管混凝土柱的承載力和延性上CFRP 均要優(yōu)于GFRP 和BFRP。此外，Zhang 等[16]建立了FRP 約束鋼管混凝土面向設(shè)計(jì)的應(yīng)力-應(yīng)變模型。

相對(duì)于FRP 全約束鋼管混凝土柱的研究，F(xiàn)RP 條帶局部約束鋼管混凝土柱的研究非常少。已有少數(shù)研究中，Prabhu 等[17-18]用CFRP 條帶水平間隔約束鋼管混凝土柱，研究了條帶層數(shù)、條帶間距對(duì)鋼管混凝土柱承載力、破壞模式的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP 條帶有效地延緩了柱的局部屈曲，柱的承載力隨層數(shù)的增加、間距的減小而增加。該研究對(duì)FRP 條帶水平間隔約束鋼管混凝土的約束機(jī)理分析并不深入，也未能夠提出適用的約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變模型和設(shè)計(jì)方法。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

FRP 能夠適用于鋼管混凝土柱的性能提升和加固改造，通過(guò)FRP 約束能夠限制混凝土和鋼管的橫向變形，延緩鋼管的局部屈曲，極大地恢復(fù)或提升鋼管混凝土柱的承載力和延性，但是FRP 約束太大時(shí)，F(xiàn)RP 容易受到鋼管屈曲的影響提前破壞，而FRP 條帶局部約束形式能減輕或避免提前破壞的問(wèn)題。同時(shí)，F(xiàn)RP 全約束形式導(dǎo)致混凝土壓碎后荷載提升剛度過(guò)大（該部分荷載對(duì)應(yīng)的變形一般已超過(guò)正常使用極限狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)變強(qiáng)化的剛度不宜過(guò)大），采用FRP 條帶局部約束也能減少全約束形式出現(xiàn)的性能過(guò)余問(wèn)題。目前對(duì)FRP 條帶局部約束鋼管混凝土柱的研究非常少，需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)研究加以完善，并提出適用于FRP 條帶局部約束鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)模型。