CFRP約束圓鋼管高強(qiáng)混凝土短柱軸壓試驗研究

秦鵬 周昱 李開瓊 易偉建

摘 ? 要：為研究混凝土強(qiáng)度、徑厚比、CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）層數(shù)及CFRP包裹方式等參數(shù)對CFRP約束圓鋼管混凝土軸壓靜力性能的影響，進(jìn)行了6個圓鋼管混凝土短柱和18個CFRP-鋼管混凝土短柱的軸壓對比試驗. 研究發(fā)現(xiàn)CFRP的約束對圓鋼管混凝土承載力有較顯著的提升，且承載力的提高幅度隨著CFRP的增加而增加. 鋼管高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土短柱的破壞形態(tài)呈現(xiàn)為剪切破壞，延性較差，CFRP的約束可以改善其延性，且CFRP層數(shù)越多延性越好. 半包CFRP試件性能接近于全包CFRP試件性能. 隨徑厚比增大，CFRP約束效果下降. 若黏結(jié)良好，試件失效前，CFRP與鋼管能保持協(xié)同工作;最后選取了3個經(jīng)典的CFRP約束鋼管混凝土軸壓承載力公式進(jìn)行驗算，發(fā)現(xiàn)基于CFRP和鋼管雙重約束的公式能較好地預(yù)測其承載力.

關(guān)鍵詞：CFRP;鋼管高強(qiáng)混凝土;軸壓短柱;延性;半包CFRP

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

Abstract：In order to study the effects of concrete strength， diameter-to-thickness ratio， CFRP （carbon fiber reinforced composite） layer number and CFRP cladding mode on the axial compression behavior of CFRP confined concrete-filled circular steel tube， the axial compression comparison tests of 6 concrete-filled circular steel tube short columns and 18 CFRP-concrete-filled steel tube short columns were carried out. It is found that the CFRP constraint significantly increases the bearing capacity of concrete-filled circular steel tubes， and the increasing range of the bearing capacity increases with the increase of CFRP layers. The failure pattern of high strength and ultra-high strength concrete-filled steel tube short column is shear failure with poor ductility. CFRP constraint can improve its ductility， and more CFRP layers result in better ductility. The performance of half-packaged CFRP specimens is close to that of full-packaged CFRP specimens. CFRP binding effect decreases with the increasing diameter - thickness ratio. If the bond is good， CFRP and steel tube can work together before the specimen fails. Finally， three classical formulas of axial bearing capacity of CFRP confined CFST are selected for calculation， and the formula based on the double restraint formula of CFRP and steel tube can better predict its bearing capacity.

Key words：CFRP;high strength concrete filled steel tube;axial compression short column;ductility;half-packaged CFRP

鋼管混凝土憑借其強(qiáng)度高、延性好等特點在工程中應(yīng)用得越來越多，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了深入研究，成果頗豐[1-2].近年來由于土木工程材料的發(fā)展，給普通條件制作高強(qiáng)混凝土提供了技術(shù)條件支撐. 國內(nèi)一些大型工程開始采用超高強(qiáng)混凝土. 結(jié)合鋼管和高強(qiáng)混凝土兩種材料，在鋼管內(nèi)澆筑高強(qiáng)混凝土制成鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，能有效解決高強(qiáng)混凝土延性較差的問題[3]. 然而，由于高強(qiáng)混凝土呈明顯脆性，未充分膨脹前就發(fā)生破壞，鋼管對其約束效率較低. 將CFRP外包于鋼管高強(qiáng)混凝土以提供約束可以彌補(bǔ)這一缺陷[4-7].

對CFRP-鋼管普通混凝土目前已有較廣泛的研究，Xiao等[8]在研究中發(fā)現(xiàn)，CFRP附加的約束可使鋼管混凝土柱的軸壓承載力、變形能力和抗震性能得到顯著提高. Tao等[9]討論了增加CFRP層數(shù)對CFRP加固圓鋼管混凝土柱極限承載力和延性的影響，并考慮雙重約束作用推導(dǎo)出預(yù)測CFRP約束鋼管混凝土軸壓承載力公式. Tao等[10]還對火災(zāi)后CFRP修復(fù)的鋼管混凝土梁柱進(jìn)行了研究，結(jié)果表明碳纖維加固的梁柱的極限強(qiáng)度和抗彎剛度隨碳纖維布層數(shù)增加而增加，同時增加CFRP層數(shù)有助于提升試件延性. Teng[11]等通過對CFRP-鋼管混凝土力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，CFRP能有效地提高鋼管混凝土的承載力和延性，對薄壁鋼管混凝土改善效果更為顯著. Ding等[12]通過1個FORTRAN程序，討論并確定了碳纖維層數(shù)對核心混凝土鋼管極限承載力的影響. 已有研究表明，相對于其他FRP材料，CFRP約束鋼管混凝土的強(qiáng)度和延性提高更明顯[13]. 目前對CFRP約束鋼管普通混凝土短柱的研究成果較多，但對于CFRP-鋼管高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的研究還較少，本文的重點是研究CFRP-鋼管高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的軸壓性能. 由于當(dāng)前主流的研究方式和工程應(yīng)用中通常是將鋼管混凝土外圍全部包裹CFRP，但考慮到端部約束的存在，鋼管混凝土中部變形最早發(fā)生且最為嚴(yán)重，進(jìn)而猜想對試件中部進(jìn)行約束會更為有效，故本文設(shè)置了CFRP全包裹和半包裹兩種包裹方式進(jìn)行對比研究.

1 ? 試驗概況

本試驗設(shè)計了6個圓鋼管混凝土短柱和18個CFRP-鋼管混凝土短柱試件，分別使用了2種不同直徑的鋼管制作，內(nèi)填3種不同強(qiáng)度等級的混凝土，包括普通混凝土C40、高強(qiáng)混凝土C70、超高強(qiáng)混凝土C100. 如圖1所示，CFRP的包裹方式有全包和半包兩種，試件具體參數(shù)見表1.

試件制作：首先對鋼板進(jìn)行打磨除銹，然后通過機(jī)械設(shè)備把鋼板制成所需尺寸的鋼管，鋼管底部焊接鋼板，最后澆筑混凝土. 采用標(biāo)號為P·II 52.5的水泥，混凝土配合比見表2. 澆筑混凝土?xí)r，將混凝土從鋼管上口注入后立即振搗直至密實. 養(yǎng)護(hù)完成后粘貼應(yīng)變片：CFRP通過環(huán)氧樹脂膠環(huán)繞粘貼在試件外圍，待膠達(dá)到強(qiáng)度后，通過在柱中粘貼的橫向應(yīng)變片測量CFRP應(yīng)變，粘貼過程中使CFRP 應(yīng)變片與鋼管應(yīng)變片錯開.

本文研究以混凝土強(qiáng)度、碳纖維層數(shù)、徑厚比及碳纖維包裹方式為變量，設(shè)置不同混凝土強(qiáng)度主要擬探究CFRP約束鋼管高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能. 本試驗中對于高強(qiáng)混凝土試件沒有采用與之相互作用更好的高強(qiáng)鋼管，是因為本試驗主要研究的控制自變量為混凝土強(qiáng)度，而鋼管的強(qiáng)度變化會影響試件的受力性能，并且采用高強(qiáng)鋼管會導(dǎo)致試件含鋼率較高，此時套箍系數(shù)的組合中鋼管的套箍系數(shù)占主導(dǎo)位置. 為了適當(dāng)放大CFRP套箍系數(shù)的影響作用，本試驗設(shè)計的試件含鋼率普遍不高. 由于鋼管套箍系數(shù)小于2層CFRP套箍系數(shù)，因此試驗參數(shù)中只設(shè)置到了2層CFRP 試件.

加載裝置如圖2所示. 試驗通過湖南大學(xué)實驗室1 000 t液壓伺服壓力機(jī)進(jìn)行. 為得到精確的應(yīng)變數(shù)據(jù)，在試件中部分別沿著縱向和環(huán)向粘貼應(yīng)變計各4片，安裝2個位移計用于測量試件的豎向位移. 荷載由試驗設(shè)備自動采集，應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)通過東華DH3816N設(shè)備采集.

2 ? 試驗結(jié)果與分析

2.1 ? 試驗現(xiàn)象

圖3所示為試件破壞狀態(tài)，每組圖片由左至右對應(yīng)CFRP層數(shù)分別為0層、1/2層、1層、2層的試件.

1）C40組試件：加載前期試件外表面幾乎無變化，試件處于彈性階段. 繼續(xù)施加荷載，當(dāng)無CFRP試件軸向荷載施加至峰值荷載的約85%時，試件頂部和底部均發(fā)生局部屈曲;隨著軸向變形的增加，鋼管愈發(fā)屈曲，最后試件破壞;半包CFRP的試件當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的85%時，鋼管上部出現(xiàn)鼓曲，達(dá)到峰值后，鋼管上部出現(xiàn)明顯鼓曲;全包CFRP試件（包括1層和2層）在荷載施加至接近峰值荷載的95%時，粘貼的碳纖維布逐漸斷裂并開始剝離試件，鋼管局部屈曲，最后試件破壞. 試件達(dá)到峰值荷載破壞階段歷時較長、較和緩.

2）C70組試件：當(dāng)試件軸向荷載施加至峰值荷載的約80%時，試件伴隨著細(xì)小的“滋滋”聲，試件外表面幾乎無變化，表明試件依然處于彈性工作狀態(tài). 無CFRP試件當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的90%時，鋼管表面形成剪切滑移線;半包CFRP試件當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的90%時，鋼管上部出現(xiàn)鼓曲，達(dá)到峰值后，鋼管上部明顯鼓曲;全包CFRP試件（包括1層和2層）當(dāng)荷載施加至接近峰值荷載的95%時，粘貼的碳纖維布逐漸斷裂并剝離試件，鋼管發(fā)生局部屈曲.

3）C100組試件：無CFRP試件當(dāng)荷載持續(xù)增長到峰值荷載95%左右時，柱頂微鼓起，達(dá)到峰值荷載后，鋼管表面產(chǎn)生剪切滑移線;半包和全包1層CFRP試件當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的95%時，CFRP有細(xì)微“滋滋”聲響，達(dá)到峰值荷載時，CFRP開始發(fā)生斷裂，鋼管中部鼓曲;全包2層CFRP試件加載至峰值荷載后，CFRP逐漸斷裂，試件發(fā)生剪切破壞.

綜上可知高強(qiáng)混凝土試件彈性階段長于普通強(qiáng)度試件，普通強(qiáng)度試件破壞時以腰鼓型破壞為主，失效前有明顯的征兆，破壞之前鋼管出現(xiàn)明顯屈曲;而高強(qiáng)混凝土試件失效時有明顯的剪切面，失效幾乎無破壞征兆，破壞后鋼管突然發(fā)生屈曲并不斷發(fā)展;試驗過程可大致分為彈性、彈塑性、破壞3個階段.

2.2 ? 荷載-位移曲線

本次試驗所有24個試件的荷載-位移曲線如圖4所示，所有曲線均包括線性上升段、非線性上升階段、下降段.

CFRP約束鋼管混凝土試件的荷載-位移曲線中并未出現(xiàn)斷崖式的下降，是因為在試件達(dá)到峰值荷載時，CFRP尚未完全斷裂，而是隨位移增加逐漸發(fā)生斷裂. 可見在峰值荷載之后，CFRP對試件依然有一定的約束作用，最終狀態(tài)下CFRP才完全斷裂，所以同強(qiáng)度試件的最終的剩余承載力較為相近.

AC4ST組試件中，相對于無CFRP試件，半包CFRP、全包1層CFRP、全包2層CFRP試件承載力提升率分別為1.19、1.14、1.28;BC4ST組試件承載能力提升率分別為1.11、1.12、1.19;AC7ST和BC7ST組試件承載能力提升率分別為1.1、1.09、1.36和1.04、1.05、1.21;AC10ST和BC10ST組試件承載力提升率分別為1.08、1.11、1.15和1.03、1.04、1.09.

隨混凝土強(qiáng)度提升，試件的極限承載力提升，是混凝土強(qiáng)度和CFRP約束共同影響的結(jié)果，由于兩個因素相互影響，各起多少作用較難確定，因此該問題可通過控制變量的方式來討論. 對比CFRP層數(shù)相同的試件，以AC4ST0、AC10ST0試件為例，其承載力分別為1 331 kN、2 582 kN，可見混凝土從C40增長到C100，其承載力上升到1.94倍;對比混凝土強(qiáng)度相同的試件，以AC10ST0、AC10ST2試件為例，其承載力分別為2 582 kN、2 963 kN，可見CFRP層數(shù)從0層增加至2層，其承載力上升至1.15倍，比較AC4ST0和AC10ST2試件承載力，可認(rèn)為它們之間相差了1.94×1.15倍（其中1.94為混凝土強(qiáng)度影響，1.15為CFRP約束影響）.

綜上可知，CFRP的約束對普通強(qiáng)度混凝土試件軸壓極限荷載提升較明顯，試件強(qiáng)度愈高，CFRP約束對試件軸壓極限荷載提升率愈小. 且混凝土強(qiáng)度越高，試驗曲線線性段變長，峰值荷載對應(yīng)的位移減小. CFRP包裹的層數(shù)愈多，試件軸壓極限承載力提升愈多. 半包CFRP試件與全包1層CFRP 試件承載力相近. CFRP對高強(qiáng)度試件約束效果下降. CFRP對小徑厚比試件的承載力提升率普遍比大徑厚比試件大6.5%. 徑厚比為83的試件1層CFRP約束作用與徑厚比為110的試件2層CFRP約束作用相近. 就承載力計算而言，可認(rèn)為半包1層CFRP與全包1層CFRP有相同的CFRP約束系數(shù)ξf .

2.3 ? 承載力提高系數(shù)

定義CFRP約束鋼管混凝土軸壓承載力Nu與同規(guī)格的鋼管混凝土實測承載力N0的比值為承載力提高系數(shù)，即SI = Nu /N0 .

圖5所示為試件軸壓承載力提高系數(shù)SI和CFRP約束系數(shù)ξf的關(guān)系（不包括半包CFRP試件）. 由圖可知約束系數(shù)增大，試件軸壓極限承載力提升;C70組試件和C100組試件SI隨ξf增大而增長速率較大，C40組試件SI隨ξf增大而增長最慢. 表明鋼管高強(qiáng)混凝土試件提高CFRP約束系數(shù)能更有效地得到承載能力的提升. CFRP層數(shù)對承載力提升效率的影響近似為線性的，即2層CFRP約束效果近似為1層CFRP試件的2倍.

2.4 ? 延性分析

參照文獻(xiàn)[14]定義延性系數(shù)為：DI = ε85% /εy . 式中ε85%是指荷載降低至峰值荷載0.85倍時試件的縱向應(yīng)變;εy = ε0.75 /0.75，ε0.75代表施加荷載達(dá)到峰值荷載0.75倍時試件的縱向應(yīng)變. 圖6所示為各組試件延性系數(shù)DI直方圖. 小徑厚比試件中，AC4ST、AC7ST和AC10ST中半包CFRP、全包1層CFRP和2層CFRP試件相對于無CFRP試件的延性系數(shù)提高率分別為1.51、1.29、1.65，1.58、1.16、1.59，1.26、1.12、1.43;同數(shù)據(jù)在大徑厚比試件中分別為1.36、1.31、1.59，1.19、1.17、1.68，1.08、1.11、1.35;相比于AC4ST0試件，AC7ST0和AC10ST0試件的延性系數(shù)分別下降28.3%和40.3%;相比于BC4ST0試件，BC7ST0和BC10ST0試件延性系數(shù)分別下降17.6%和32%;對于C40組試件，大徑厚比試件延性系數(shù)較小徑厚比試件普遍下降20%，對于C70和C100組試件其延性系數(shù)普遍下降10%和15%.

混凝土強(qiáng)度越高延性系數(shù)越小，CFRP的存在對鋼管高強(qiáng)混凝土試件延性性能有較大的改善，試件延性系數(shù)隨CFRP層數(shù)增加而增加. 對于小徑厚比試件，半包1層CFRP試件延性略優(yōu)于全包1層CFRP 試件;對于大徑厚比試件，半包1層CFRP試件與全包1層CFRP 試件相近. DI隨徑厚比增大而降低. 隨徑厚比增大、混凝土強(qiáng)度提高，CFRP對延性改善作用下降.

2.5 ? CFRP與鋼管的協(xié)同作用

圖7所示為鋼管與CFRP的荷載-環(huán)向應(yīng)變曲線（以徑厚比為83試件為例）.

由圖7可知，AC4ST、AC7ST和AC10ST試件中，同一豎向位置處的鋼管與CFRP的環(huán)向應(yīng)變增長趨勢幾乎無異，可見在軸壓作用下試件鋼管與CFRP能夠較好地協(xié)同作用.

3 ? 承載力計算

進(jìn)行CFRP約束鋼管混凝土軸壓承載力計算，首先要分別確定鋼管和CFRP對混凝土的約束系數(shù)ξs、ξf，見表1后注解.

由數(shù)據(jù)對比可知，公式（1）與公式（3）（4）計算值大于試驗值，且偏差大于20%，偏于不安全;公式（2）計算值與試驗值偏差小于5%，更接近試驗值，更趨于安全. 可見基于CFRP約束混凝土和鋼管雙重約束的公式（2）更適用于計算CFRP約束鋼管混凝土的極限承載力.

4 ? 結(jié) ? 論

1）破壞后的剩余承載力下降變快，CFRP約束鋼管混凝土試驗過程可分為彈性、彈塑性、破壞3個階段;隨混凝土強(qiáng)度的增長，試件破壞的征兆愈發(fā)不明顯.

2）混凝土強(qiáng)度愈高，CFRP對試件軸壓承載力提升率愈低;且混凝土強(qiáng)度提升，試件線性上升段變長，峰值荷載對應(yīng)的位移減小;包裹的CFRP層數(shù)愈多，其軸壓承載力提高愈多，且近似為線性增長.

3）就承載力計算而言，半包CFRP試件與全包1層CFRP 試件承載力相近，可認(rèn)為半包1層CFRP與全包1層CFRP有相同的CFRP約束系數(shù)ξf.

4）包裹CFRP能較好地改善鋼管高強(qiáng)混凝土延性性能;試件延性系數(shù)隨CFRP層數(shù)增加而增加，隨徑厚比增大而降低;徑厚比增大、混凝土強(qiáng)度提高會導(dǎo)致CFRP對延性改善作用下降.

5）軸壓荷載作用下，鋼管與CFRP可以較好地協(xié)同作用.

6）文中收集的3個經(jīng)典計算公式中，公式（2）能較準(zhǔn)確地計算CFRP約束鋼管混凝土承載力，且能保證一定的安全性，故建議使用公式（2）進(jìn)行計算.

參考文獻(xiàn)

[1] ? ?韓林海，陶忠，劉威. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)：理論與實踐[J]. 福州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，29（6）：24—34.

HAN L H，TAO Z，LIU W. Concrete filled steel tubular structures from theory to practice[J]. Journal of Fuzhou University （Natural Sciences Edtion），2001，29（6）：24—34. （In Chinese）

[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（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] ? ?譚克鋒，蒲心誠，蔡紹懷. 鋼管超高強(qiáng)混凝土的性能與極限承載能力的研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1999，20（1）：10—15.

TAN K F，PU X C，CAI S H. Study on the mechanical properties of steel extra-high strength concrete encased in steel tubes[J]. Journal of Building Structures，1999，20（1）：10—15. （In Chinese）

[4] ? ?OMAR C，MOHSEN S. Performance of fiber-reinforced polymer-wrapped reinforced concrete column under combined axial-flexural loading[J]. ACI Structural Journal，2000，97（4）：659—668.

[5] ? ?AMIR M，MOHSEN S，CHARLE E K，et al. Large beam-column test on concrete-filled composite tube[J]. ACI Structural Journal，2000，97（2）：268—276.

[6] ? ?張東興，黃龍男，王榮國，等. 玻璃鋼管混凝土柱力學(xué)性能的試驗研究[J]. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，2000，33（1）：73—76.

ZHANG D X，HUANG L N，WANG R G，et al. Experimental research on the mechanical properties of concrete filled FRP tubular column[J]. Journal of Harbin University of Civil Engineering and Architecture，2000，33（1）：73—76. （In Chinese）

[7] ? ?AMIR Z F，SAMI H R. Confinement model for axially loaded concrete confined by circular fiber-reinforced polymer tubes[J]. ACI Structural Journal，2001，98（4）：451—461.

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

[9] ? ?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.

[10] ?TAO Z，HAN L H. Behaviour of fire-exposed concrete-filled steel tubular beam columns repaired with CFRP wraps[J]. Thin-Walled Structures，2007，45（1）：63—76.

[11] ?TENG J G，HU Y M，YU T. Stress-strain model for concrete in FRP-confined steel tubular columns[J]. Engineering Structures，2013，49（2）：156—167.

[12] ?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.

[13] ?張倚天，肖巖. FRP約束方鋼管混凝土短柱軸壓性能研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，46（11）：50—56.

ZHANG Y T，XIAO Y. Study on behaviors of FRP confined stub concrete filled square steel tubes under axial load[J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2019，46（11）：50—56. （In Chinese）

[14] ?李開瓊. CFRP約束圓鋼管混凝土短柱的軸壓試驗研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2018：40—41.

LI K Q. Experimental study on CFRP confined concrete filled steel tube stub columns under axial compression[D]. ?Changsha：Hunan University，2018：40—41. （In Chinese）

[15] ?張常光，趙均海，馮紅波. CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱的力學(xué)性能[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2008，38（3）：34—37.

ZHANG C G，ZHAO J H，F(xiàn)ENG H B. Mechanics behavior of concrete filled CFRP-steel tube stub columns under axial compression[J]. Building Structure，2008，38（3）：34—37. （In Chinese）

[16] ?顧威，趙穎華，尚東偉. CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱承載力分析[J]. 工程力學(xué)，2006，23（1）：149—153.

GU W，ZHAO Y H，SHANG D W. Load carrying capacity of concrete filled cfrp-steel tubes under axial compression[J]. Engineering Mechanics，2006，23（1）：149—153. （In Chinese）

[17] ?王慶利，趙春雷，張海波，等. CFRP-鋼管砼軸壓短柱承載力的簡化計算[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，21（6）：612—615.

WANG Q L，ZHAO C L，ZHANG H B，et al. Simplified strength calculation of the concentrically compressed concrete filled CFRP-steel tubular stub columns[J]. Journal of Shenyang Architectural and Civil Engineering Institute，2005，21（6）：612—615. （In Chinese）